El físico Nigel Goldenfeld odia la biología: “Al menos no en la forma en que me la enseñaron en la escuela”, dice. “Fue como una serie de hechos vagabundos. Prácticamente no hubo un análisis cuantitativo preciso . Esta actitud podría sorprender a cualquiera que observe los muchos proyectos en los que está trabajando el laboratorio de Goldenfeld.
Él y sus colegas monitorean el comportamiento individual y colectivo de las abejas, analizan biopelículas, observan genes saltando, evalúan la diversidad de formas de vida en los ecosistemas y exploran la relación de los microbiomas.
Goldenfeld es el director del Instituto de Astrobiología de Biología General de la NASA, pero no pasa la mayor parte de su tiempo en el departamento de física de la Universidad de Illinois, sino en su laboratorio biológico en el campus de Urbana-Champaign.
Nigel Goldenfeld no es el único físico que intenta resolver problemas en biología. En la década de 1930, Max Delbrück cambió el concepto de virus. Más tarde, Erwin Schrödinger publicó ¿Qué es la vida? El aspecto físico de una célula viva”. Francis Crick, un pionero en cristalografía de rayos X, ayudó a descubrir la estructura del ADN.
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Goldenfeld quiere beneficiarse de su conocimiento de la teoría de la materia condensada. Al estudiar esta teoría, simula el desarrollo de una muestra en un sistema físico dinámico para comprender mejor varios fenómenos (turbulencias, transiciones de fase, características de las rocas geológicas, el mercado financiero).
El interés por el estado emergente de la materia llevó a los físicos a uno de los mayores misterios de la biología: el origen de la vida misma. Fue a partir de esta tarea que se desarrolló la rama actual de su investigación.
"Los físicos pueden hacer preguntas de manera diferente", está convencido Goldenfeld. “Mi motivación siempre ha sido buscar en biología áreas donde tal enfoque tendría sentido. Pero para tener éxito, debe trabajar con biólogos y, de hecho, convertirse en uno de ellos. La física y la biología son igualmente necesarias ".
Quanta habló con Goldenfeld sobre los fenómenos colectivos en física y la expansión de la teoría sintética de la evolución. También discutieron el uso de herramientas cuantitativas y teóricas de la física para levantar el velo de misterio que rodea la vida temprana en la Tierra y las interacciones entre las cianobacterias y los virus depredadores. El siguiente es un resumen de esta conversación.
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La física tiene una estructura conceptual básica, mientras que la biología no. ¿Estás intentando desarrollar una teoría general de la biología?
Dios, por supuesto que no. No existe una teoría única en biología. La evolución es lo más parecido que puedes aportar. La biología en sí es el resultado de la evolución; la vida en toda su diversidad y sin excepción se ha desarrollado como resultado de la evolución. Es necesario comprender verdaderamente la evolución como un proceso para comprender la biología.
¿Cómo pueden los efectos colectivos del campo de la física complementar nuestra comprensión de la evolución?
Cuando piensas en la evolución, normalmente tiendes a pensar en la genética de poblaciones, en la repetición de genes en una población. Pero si miras al Último Ancestro Común Universal (el organismo ancestro de todos los demás organismos, que podemos rastrear a través de la filogenia), entenderás que este no es el comienzo mismo del origen de la vida.
Antes de eso, definitivamente había una forma de vida aún más simple, una forma que ni siquiera poseía genes cuando aún no había especies. Sabemos que la evolución es un fenómeno mucho más amplio que la genética de poblaciones.
El último ancestro común universal vivió hace 3.800 millones de años. El planeta Tierra tiene 4.600 millones de años. La vida misma ha viajado desde el inicio hasta la complejidad de la célula moderna en menos de mil millones de años. Probablemente incluso más rápido: desde entonces, se han producido relativamente pocos avances en la evolución de la estructura celular. Resulta que la evolución ha sido lenta durante los últimos 3.500 millones de años, pero muy rápida al principio. ¿Por qué la vida se ha desarrollado tan rápidamente?
Karl Woese (biofísico, fallecido en 2012) y yo creí que inicialmente el desarrollo se llevó a cabo de manera diferente. En nuestra era, la vida evoluciona a través de la herencia "vertical": le transmite sus genes a sus hijos, ellos, a su vez, a sus hijos, etc. La transferencia "horizontal" de genes se lleva a cabo entre organismos que no están conectados entre sí.
Esto está sucediendo ahora en bacterias y otros organismos con genes que no son muy importantes en la estructura celular. Por ejemplo, genes que dan resistencia a los antibióticos; gracias a ellos, las bacterias adquieren protección frente a los medicamentos muy rápidamente. Sin embargo, en las primeras fases de la vida, incluso el mecanismo básico de la célula se transmitía horizontalmente.
Anteriormente, la vida era un estado acumulativo y era más una comunidad estrechamente unida por el intercambio de genes que solo una colección de formas individuales. Hay muchos otros ejemplos de estados colectivos, como una colonia de abejas o una bandada de pájaros, donde el colectivo parece tener su propia personalidad y comportamiento, surgiendo de los elementos y formas en que interactúan. La vida temprana se comunicaba a través de la transferencia genética.
¿Cómo lo sabes?
“Podemos explicar un desarrollo tan rápido y óptimo de la vida solo si permitimos el efecto de esta“red temprana”y no el árbol [familiar]. Hace unos 10 años, descubrimos que esta teoría se aplica al código genético, a las reglas que le dicen a la célula qué aminoácidos utilizar para producir proteínas. Todos los organismos del planeta tienen el mismo código genético con diferencias mínimas.
En la década de 1960, Karl fue el primero en tener la idea de que el código genético que poseemos es lo mejor posible para minimizar los errores. Incluso si obtiene el aminoácido incorrecto debido a una mutación o un error en el mecanismo de transporte celular, el código genético determinará con precisión el aminoácido que debe recibir. Por lo tanto, todavía tiene la posibilidad de que la proteína que produce funcione y su cuerpo no muera.
David Haig (Harvard) y Lawrence Hirst (Universidad de Bath) fueron los primeros en demostrar que esta idea puede evaluarse cualitativamente utilizando el método de Monte Carlo: intentaron averiguar qué código genético es más resistente a tales errores. Y nosotros mismos nos convertimos en la respuesta. Este es realmente un descubrimiento sorprendente, pero no tan extendido como debería.
Más tarde, Karl y yo, junto con Kalin Vestigian (Universidad de Wisconsin en Madison), realizamos simulaciones virtuales de grupos de organismos con muchos códigos genéticos hipotéticos y artificiales. Creamos modelos de virus informáticos que imitaban a los sistemas vivos: tenían un genoma, expresaban proteínas, podían replicarse, sobrevivir a la selección y su adaptabilidad era función de sus propias proteínas.
Descubrimos que no solo evolucionaron sus genomas. Su año genético también evolucionó. Cuando se trata de evolución vertical (entre generaciones), el código genético nunca se vuelve único u óptimo. Pero cuando se trata del efecto de "red colectiva", entonces el código genético está evolucionando rápidamente hacia el estado óptimo único que observamos hoy.
Estos hallazgos, y las preguntas sobre cómo la vida pudo haber adquirido estos códigos genéticos tan rápidamente, sugieren que deberíamos estar viendo signos de transferencia genética horizontal antes que en el Último Ancestro Común Universal, por ejemplo. Y los vemos: algunas de las enzimas que están asociadas con el mecanismo principal de traducción celular y expresión génica muestran una fuerte evidencia de la transferencia horizontal temprana de genes.
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¿Cómo puedes confiar en estas conclusiones?
- Tommaso Biancalani y yo (ahora en el MIT) realizamos un estudio hace aproximadamente un año (se publicó nuestro artículo sobre él) de que la vida apaga automáticamente la transferencia horizontal de genes tan pronto como se vuelve lo suficientemente complicada. Cuando simulamos este proceso, básicamente se apaga solo. Se intenta realizar una transferencia genética horizontal, pero casi nada echa raíces. Entonces, el único mecanismo evolutivo dominante es la evolución vertical, que siempre ha estado presente. Ahora estamos intentando hacer experimentos para ver si el kernel ha realizado completamente la transición de la transmisión horizontal a la vertical.
¿Es debido a este enfoque de la evolución temprana que dijo que deberíamos hablar de manera diferente sobre biología?
La gente tiende a pensar en la evolución como sinónimo de genética de poblaciones. Creo que esto es, en principio, correcto. Pero no realmente. La evolución tuvo lugar incluso antes de que existieran los genes, y esto no puede explicarse mediante modelos estadísticos de genética de poblaciones. Hay formas colectivas de evolución que también deben tomarse en serio (por ejemplo, procesos como la transferencia horizontal de genes).
Es en este sentido que nuestra comprensión de la evolución como proceso es demasiado limitada. Necesitamos pensar en los sistemas dinámicos y cómo es posible que los sistemas capaces de desarrollarse y reproducirse sean capaces de existir. Cuando piensas en el mundo físico, no es obvio por qué simplemente no haces más cosas muertas.
¿Por qué el planeta tiene la capacidad de sustentar vida? ¿Por qué existe la vida? La dinámica de la evolución debería poder resolver este problema. Cabe destacar que ni siquiera tenemos una idea de cómo resolver este problema. Y dado que la vida comenzó como algo físico, no biológico, expresa un interés físico.
¿Cómo encaja su trabajo sobre las cianobacterias en la aplicación de la teoría de la materia condensada?
- Mi estudiante de posgrado Hong-Yang Shi y yo modelamos un ecosistema de un organismo llamado Prochlorococcus, una cianobacteria que vive en el océano y usa la fotosíntesis. Creo que este organismo puede ser el organismo celular más abundante del planeta.
Hay virus, "fagos" que se alimentan de bacterias. Hace una década, los científicos descubrieron que estos fagos también tienen genes para la fotosíntesis. Por lo general, no se piensa en un virus como alguien que necesita fotosíntesis. Entonces, ¿por qué portan estos genes?
“Parece que las bacterias y los fagos no se comportan exactamente como un modelo depredador-presa. Las bacterias benefician a los fagos. De hecho, las bacterias podrían evitar que los fagos los ataquen de diversas formas, pero no lo hacen, al menos no del todo. Los genes fotosintéticos de los fagos provienen originalmente de bacterias y, sorprendentemente, los fagos luego los transfirieron de nuevo a las bacterias. Durante los últimos 150 millones de años, los genes de la fotosíntesis se han movido entre bacterias y fagos varias veces.
Resulta que los genes se desarrollan mucho más rápido en los virus que en las bacterias, porque el proceso de replicación de los virus es mucho más corto y es más probable que se cometan errores (la replicación es el proceso de sintetizar una molécula hija de ácido desoxirribonucleico en la plantilla de la molécula de ADN original, nada más).
Como efecto secundario de la búsqueda de bacterias por fagos, los genes bacterianos a veces se transfieren a los virus, donde pueden propagarse, desarrollarse rápidamente y luego volver a las bacterias, que luego pueden beneficiarse de ellos. Por tanto, los fagos fueron beneficiosos para las bacterias. Por ejemplo, hay dos cepas de Prochlorococcus que viven a diferentes profundidades. Uno de estos ecotipos está adaptado para vivir más cerca de la superficie, donde la luz es mucho más intensa y la diferencia en sus frecuencias es mayor. Esta adaptación puede deberse al hecho de que los virus han evolucionado rápidamente.
Los virus también se benefician de los genes. Cuando un virus infecta a un huésped y se replica, la cantidad de virus nuevos que crea depende de cuánto tiempo pueda sobrevivir la célula capturada. Si el virus lleva el sistema de soporte vital (genes para la fotosíntesis), puede mantener la célula por más tiempo para hacer más copias del virus.
Un virus que porta genes para la fotosíntesis tiene una ventaja competitiva sobre uno que no lo tiene. Existe una presión reproductiva sobre los virus para transferir genes que beneficien al huésped. Es de esperar que, debido a que los virus mutan tan rápidamente, sus genes se "degradarán" rápidamente. Pero como resultado de los cálculos, encontramos que las bacterias filtran genes "buenos" y los transfieren a virus.
Por lo tanto, esta es una linda historia: la interacción de estas bacterias y virus se asemeja al comportamiento de una sustancia en un estado condensado; este sistema puede modelarse para predecir sus propiedades.
Hablamos de un acercamiento físico a la biología. ¿Has visto lo contrario cuando la biología inspiró la física?
- Si. Estoy trabajando en turbulencias. Cuando regreso a casa, es ella quien me mantiene despierto por la noche. En un artículo publicado el año pasado en Nature Physics, Hong-Yan Shin, Tsung-Ling Sheng y yo queríamos explicar en detalle cómo un fluido en una tubería pasa de un estado plástico, donde fluye de manera suave y predecible, a un estado de turbulencia, donde su comportamiento es impredecible. y mal.
Descubrimos que antes de la transición, la turbulencia se comporta como un ecosistema. Hay un régimen dinámico especial de flujo de fluido, similar a un depredador: intenta "comer" la turbulencia, y la interacción entre este régimen y la turbulencia resultante conduce a algunos de los fenómenos que se ven cuando el fluido se vuelve turbulento.
En última instancia, nuestro trabajo asume que se produce cierto tipo de transición de fase en los líquidos, y esto es lo que confirman los experimentos. Dado que el problema de la física resultó ser adecuado para resolver este problema biológico, sobre la relación entre depredador y presa, Hong-Yan y yo supimos cómo imitar y simular un sistema y reproducir lo que la gente ve en los experimentos. Conocer la biología realmente nos ayudó a comprender la física.
¿Existen limitaciones para el enfoque físico de la biología?
- Existe el peligro de repetir solo lo que se conoce, por lo que no se pueden hacer nuevas predicciones. Pero a veces su abstracción o representación mínima se simplifica y pierde algo en el proceso.
No se puede pensar demasiado en teoría. Debes arremangarte para estudiar biología, estar estrechamente conectado con fenómenos experimentales reales y datos reales.
Es por eso que nuestro trabajo se lleva a cabo en conjunto con experimentadores: junto con colegas, recogí microbios de las aguas termales del Parque Nacional Yellowstone, observé los genes "saltarines" en células vivas en tiempo real, secuenciados (secuenciación - determinación de la secuencia de aminoácidos o nucleótidos - aprox. - microbioma intestinal de vertebrados. Todos los días trabajo en el Instituto de Biología Genómica, aunque la física es mi campo "nativo".
Jordana Cepelewicz
La traducción fue realizada por el proyecto Nuevo
