Biofisica oggi: cos'è, cosa fa?

Lo spunto per la riflessione di questo mese è il cosiddetto Open Day della Laurea Magistrale in Fisica, organizzato dal Dipartimento che da qualche mese ho l'onore di dirigere. Si tratta di una giornata dedicata alla presentazione del percorso generale della nostra laurea magistrale e anche ai possibili piani di studio, uno dei quali riguarda la biofisica. Fino all'anno scorso ero io stesso a occuparmi della presentazione generale: quest'anno invece l'organizzazione è stata affidata al nuovo coordinatore delle attività didattiche del Dipartimento e quindi, in qualità di referente per il percorso in Biofisica, mi è stato chiesto di preparare una presentazione su questo percorso, su quali siano le tematiche di cui si occupa e, soprattutto, di quali siano le possibilità occupazionali di un percorso nell'ambito della biofisica. Queste domande erano state poste dagli studenti per tutti i vari percorsi in cui si articola la nostra laurea magistrale, per cui ho dovuto riflettere raccogliendo qualche spunto qua e là. In particolare, ho fatto riferimento al sito della Biophysical Society americana, che ha una sezione dedicata al materiale educativo: il corrispettivo europeo (EBSA) al momento non ne ha, ma ha una struttura particolare, essendo in sostanza una federazione di varie società nazionali. Il sito della nostra società italiana di biofisica pura e applicata (SIBPA) riporta invece un link a un canale youtube che pure presenta informazioni interessanti, un tentativo incoraggiante: non sempre in Italia siamo il fanalino di coda... sicuramente non lo siamo in biofisica!

Andiamo però con ordine: cos'è la biofisica? Il vocabolario della Treccani (consiglio di mia madre era sempre partire dal vocabolario) ci informa che si tratta di un sostantivo femminile composto dalle parole bio- e fisica. Fin qui ci eravamo arrivati. Definizione (con miei commenti tra parentesi: "Parte della biologia (ah, è biologia?) che si occupa degli aspetti fisici dei fenomeni biologici; considera problemi relativi a diffusione, permeabilità e trasporto attivo di ioni attraverso membrane, fenomeni sensorî, quali la visione e l'udito, fenomeni di contrazione muscolare, ecc. (e in quell'ecc. c'è un sacco di roba interessante). In questi ultimi anni ha avuto un particolare sviluppo la biologia molecolare, che si occupa principalmente dello studio delle proprietà fisiche e chimicofisiche (che poi sempre fisiche sono) delle molecole biologicamente significative, al fine di individuarne la correlazione fra struttura e funzione biologica." Si tratta quindi di studiare la biologia con metodi che provengono dalle scienze fisiche: in questo senso è biologia, perché la biologia è il punto di partenza e il punto di arrivo, ma la fisica è il metodo. 

Di cosa si occupa la biofisica? Le attività sono tante, ma la Biophysical Society americana ne elenca alcune che sembrano proprio indicare la direzione in cui si stanno concentrando le ricerche attuali. Comincio dall'analisi dei dati e delle strutture. Nel 1953 è stata risolta la struttura del DNA con metodi che oggi chiameremmo "biofisica". Questa scoperta è stata fondamentale per dimostrare come il DNA sia in effetti il codice di un progetto per la vita in tutti gli organismi presenti sul nostro pianeta. Oggi possiamo leggere le sequenze del DNA di migliaia di esseri umani e di tutte le varietà di organismi viventi: le tecniche biofisiche sono essenziali per l'analisi di queste notevoli quantità di dati. Sono inoltre importanti anche per capire come la struttura del DNA interagisca con le altre strutture presenti nella cellula. Infatti i biofisici sviluppano e utilizzano modelli al computer (la biofisica computazionale, appunto) per visualizzare e manipolare le forme e le strutture di proteine, membrane, virus e altre molecole complesse, informazioni cruciali che si rendono necessarie per lo sviluppo di nuovi farmaci o per comprendere come le proteine mutano e causano la crescita dei tumori. 

In effetti, oggi è possibile anche studiare come singole molecole (per esempio, gli ormoni) si muovono intorno alla cellula, entro di essa o come le cellule comunicano tra loro, mediante molecole fluorescenti che funzionano come etichette, un po' come se ci fossero delle lucciole. Comprendere il sistema di trasporto delle molecole è ancora compito della biofisica. Tra le varie cellule che comunicano tra loro, ci sono anche i neuroni che fanno parte del nostro sistema nervoso. I modelli al computer che descrivono parti del sistema nervoso sono proprio le reti neurali di cui si sente tanto parlare. Le neuroscienze sono una specie di poderoso spin-off della biofisica e stanno portando a scoperte rivoluzionarie su come vengono elaborate le informazioni visive e uditive, ma persino su come è possibile rappresentare i nostri stati psicologici!

Non mancano anche applicazioni tecnologiche: la biofisica è fondamentale per comprendere la biomeccanica e ha consentito di progettare, ad esempio, arti protesici migliori, ma anche nanomateriali che possano essere impiegati, ad esempio, per somministrare farmaci in modo mirato. Siamo in un campo in cui nanomateriali e biomateriali si fondono in quella che potremmo chiamare la bioingegneria. Un posto di primaria importanza è poi quello delle sofisticatissime tecniche di imaging diagnostico, tra cui le risonanze magnetiche (MRI), le tomografie computerizzate (TAC) e le scansioni ad emissioni di positroni (PET). La biofisica sta consentendo di rendere queste tecnologie sempre più sicure, veloci e precise. Le applicazioni in medicina però non si limitano alla diagnostica. La biofisica è stata infatti fondamentale anche per lo sviluppo di molti trattamenti o dispositivi salvavita, tra cui la dialisi renale, la radioterapia, i defibrillatori cardiaci, i pacemaker e le valvole cardiache artificiali. La promessa è che ci saranno sempre più pezzi di ricambio per le parti sottoposte a usura e/o invecchiamento nel nostro corpo, una brutta notizia per l'INPS.

Esiste persino una biofisica ambientale: misura e costruisce modelli per tutti gli aspetti che caratterizzano l'ambiente in cui viviamo (e anche quelli in cui potremmo vivere, su altri pianeti), dalla stratosfera alle profondità degli oceani. I biofisici ambientali studiano ad esempio le comunità dei microbi che abitano ogni angolo del nostro pianeta e potremmo scoprire magari su altri pianeti o satelliti del nostro sistema solare nei prossimi decenni (io ci spero). La biofisica ambientale permette anche di tracciare il cammino degli inquinanti nell'atmosfera e persino di cercare modi per trasformare le alghe in biocarburanti, contribuendo magari a rendere il nostro pianeta più abitabile e il nostro stile di vita più sostenibile. Mi piace concludere con una frase tra le tante che sono emerse quando è stato chiesto a diversi biofisici "cosa è la biofisica?". Una delle risposte è stata: "La biofisica è la direzione in cui va la biologia". Mi pare davvero molto bello per un fisico sostenere che la biologia sta andando proprio nella direzione in cui la fisica diventa essenziale per poterla spiegare. Del resto, è il motivo per cui la fisica mi piace così tanto. E credo anche il motivo per cui piace a tutti i fisici, indipendentemente dalla loro specializzazione: tutto, alla fine, si riduce a un'applicazione della fisica.