Biophysik

Die Biophysik (engl. biophysics) ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die zum einen versucht, Prozesse in biologischen Systemen mit Hilfe der Gesetze der Physik (im wesentlichen der Thermodynamik und der Elektrodynamik) und deren Messmethoden zu untersuchen und zu beschreiben, zum anderen sich aber auch mit der gezielten Neu- und Weiterentwicklung physikalischer Methoden zur Untersuchung biologischer Prozesse beschäftigt.

Fragestellungen und Probleme ergeben sich neben der Biologie auch aus der medizinischen Forschung und Anwendung. Biophysikalische Forschung erfordert somit die enge Zusammenarbeit von Wissenschaftlern der Disziplinen Physik, Biologie, Chemie, Medizin und deren Grenzwissenschaften. Aus diesem Grund ist die Biophysik an den Universitäten nicht zwangsläufig dem Fachbereich Physik zugeordnet. Wurde die Biophysik zunächst ausschließlich von Wissenschaftlern der o.g. Disziplinen (insbesondere Physikern) betrieben, wurden mittlerweile an mehreren deutschen Universitäten Biophysikstudiengänge eingerichtet.

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Begriff Biophysik

Der Begriff Biophysik setzt sich zusammen aus den griechischen Begriffen ὁ βίος (ho bios) = „das Leben“ und ἡ φυσική (he physike) = „die Natürliche“. Klassisch versteht man unter Physik die „Lehre von der unbelebten Materie“, d.h. der Begriff Biophysik stellt in diesem Sinne zunächst einen Widerspruch in sich dar. Allerdings muss beachtet werden, dass die Grundbausteine sämtlichen Lebens (die Zellen) aus unbelebter Materie (den Molekülen und supramolekularen Verbänden) aufgebaut sind. Zumindest die Grundprozesse der Biologie müssen also den Gesetzen der Physik gehorchen. Begreift man die Physik jedoch im modernen Sinne als Wissenschaft von den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie (somit allem Stofflichen) und Feldern in Raum und Zeit, so wird klar, dass alle biologischen Prozesse den Gesetzen der Physik gehorchen müssen.

Generelle Prinzipien der Biophysik

Biologische Objekte (angefangen bei einzelnen Zellen über größere Zellverbünde, wie Gewebe oder Organe, bis hin zu höheren Organismen) sind von ihrem Wesen her äußerst komplex. In der Regel können biologische Prozesse nur integral über eine Vielzahl von Einflussfaktoren, die zudem in vielen Fällen nicht unabhängig voneinander sind, untersucht werden. Dies stellt für die klassische Biologie eine wesentliche Beschränkung dar.

Das Wesen der Physik ist es, komplexe Systeme auf wenige Einflussfaktoren zu reduzieren. In der Biophysik wird zunächst versucht, biologische Systeme auf ein notwendiges Minimum zu reduzieren. An diesen vereinfachten Modellsystemen wird dann mit Hilfe physikalischer Methoden versucht, die Prozesse innerhalb des biologischen Systems im Idealfall auf molekularer bzw. supramolekularer Ebene zu untersuchen und mit Hilfe physikalischer Gesetze zu beschreiben. Über die Korrelation der biophysikalischen Daten mit den entsprechenden biologischen Daten lässt sich sicherstellen, dass das verwendete Modellsystem in der Lage ist, das biologische System ausreichend zu beschreiben. Die wichtigsten Grundlagen bilden hierfür die Gesetze der Thermodynamik und der Elektrodynamik, aber auch Quantenmechanik und klassische Mechanik finden Anwendung. Von entscheidender Bedeutung ist dabei die Kenntnis der physikalischen Gesetze und Techniken und ein detailliertes Verständnis für biologische Systeme und die physikochemischen Eigenschaften der beteiligten Moleküle.

Zudem hält die Physik eine Vielzahl von Methoden (z.B. aus der Spektroskopie oder der Mikroskopie) bereit, die in ihrer ursprünglichen Form nicht für die Untersuchung und Behandlung biologischer Objekte oder deren Einzelkomponenten (z.B. Lipide oder Proteine) unter physiologischen Bedingungen geeignet sind. Ein weiterer Schwerpunkt der Biophysik ist die Anpassung dieser Methoden für die Bearbeitung biologischer Fragestellungen. Des weiteren werden aber auch gezielt physikalische Effekte ausgenutzt, um auf deren Basis neue Methoden zu entwickeln, die die Untersuchung biologischer Prozesse erlauben. Die Einsatzgebiete dieser Methoden reichen dabei von nahezu allen Bereichen der Biologie bis in die medizinische Diagnostik und Therapie.

Die Biophysik stellt ein Bindeglied zwischen der Biologie und neben der Physik einer Vielzahl weiterer wissenschaftlicher Disziplinen, wie beispielsweise Medizin, Medizintechnik, Chemie, Biochemie, physikalischer Chemie, Informatik, etc., dar. Biophysikalische Forschung erfordert deshalb eine enge Zusammenarbeit von Wissenschaftlern unterschiedlicher Fachgebiete, sie wird deshalb häufig nicht ausschließlich in physikalischen Instituten betrieben. Häufig sind biophysikalisch orientierte Arbeitsgruppen auch in biologischen, chemischen, pharmakologischen und medizinischen Fachbereichen bzw. Fakultäten zu finden.

Teilgebiete der Biophysik

Wie die meisten anderen Naturwissenschaften ist auch die Biophysik in unterschiedliche Teilgebiete untergliedert. Eine konkrete biologische Fragestellung lässt sich jedoch selten eindeutig einem Teilbereich zuordnen.

Im Folgenden werden die unterschiedlichen Teilgebiete kurz vorgestellt:

• Zelluläre oder Molekulare Biophysik beschäftigt sich unter anderem mit Biopolymeren, Proteinstrukturen und Proteindynamik, Lichtabsorption und physikalischen Modellen von Enzymen.
• Die Membranbiophysik beschäftigt sich mit der Untersuchung der physikochemischen Eigenschaften von Biomembranen und ihren funktionellen Bestandteilen, z.B. Kanälen, Rezeptoren und Transportern, und deren Wechselwirkung mit bioaktiven Substanzen, z.B. Peptiden.
• Die Elektrophysiologie untersucht die Funktionsweise und das Zusammenwirken elektrisch erregbarer Zellen im Nervensystem und in der Muskulatur.
• Die Biomechanik befasst sich mit Funktionen und Strukturen von Bewegungsapparat und Bewegungen von biologischen Systemen.
• Die Photobiophysik und Biophotonik beschäftigen sich mit den Auswirkungen externer Lichtquellen bzw. der Funktion schwacher Biophotonenemission in lebenden Systemen.
• Die Bioenergetik beschäftigt sich mit der Thermodynamik von Stoffwechselvorgängen.
• Die Strahlenbiophysik beschäftigt sich mit der Auswirkung ionisierender Strahlung auf Organismen und deren Anwendung beispielsweise in der Therapie.
• Die Bioinformatik ist kein Teilgebiet der Biophysik im eigentlichen Sinne, ist jedoch in vielen Punkten eng mit ihr verbunden.
• Die Spektroskopie befasst sich mit den in der Biologie wichtigen spektroskopischen Methoden (z.B. Magnetresonanzspektroskopie (NMR), UV/VIS-Spektroskopie).
• Supramolekulare Verbindungen
• System-Neurowissenschaften
• Neurales Encoding
• Theoretische Biophysik

Wichtige Biophysiker und für die Biophysik wichtige Forscher

• Luigi Galvani, Entdecker der Bioelektrizität
• Georg von Békésy, Forschungen am menschlichen Ohr, Nobelpreis 1961
• Friedrich Dessauer, Strahlenforschung und Röntgenologie
• Walter Friedrich gilt als Mitbegründer der Biophysik
• Hermann von Helmholtz maß als Erster die Geschwindigkeit von Nervenimpulsen
• Bernard Katz entdeckte, wie Synapsen arbeiten
• Max Perutz und John Kendrew, Pioniere der Protein-Kristallographie
• Boris Rajewsky
• Maurice Wilkins und Rosalind Franklin, Pioniere der DNA-Kristallographie, Nobelpreis 1962
• Erwin Neher und Bert Sakmann, Entwickler der Patch-Clamp-Technik, Nobelpreis 1991
• Irving Langmuir und Katherine Blodgett entwickelten das Konzept der Monolayer, Langmuir erhielt 1932 den Nobelpreis für Chemie
• Adolf Fick stellte das Fick'sche_Gesetz zur Beschreibung von Diffusionsprozessen auf
• Gerd Binnig Erfinder des Rasterkraftmikroskops, Nobelpreis 1986 für die Erfindung des Rastertunnelmikroskops zusammen mit Heinrich Rohrer
• Ernst Ruska gilt als Vater der Elektronenmikroskopie, Nobelpreis 1986
• Erich Sackmann, wegweisende Arbeiten auf dem Gebiet der Zellbiophysik, insbesondere der Erforschung von Lipidmembranen und der Mechanik des Zytoskeletts.
• Reinhart Heinrich, Professor der Theoretischen Biophysik an der Humboldt-Universität zu Berlin (1993-2006) und Gründer der "metabolic control theory"

Biophysik in Deutschland

Forschung

Universitäre biophysikalische Institute und Abteilungen sind in Deutschland meist an die mathematisch-naturwissenschaftlichen, aber auch an die medizinischen Fakultäten angegliedert. Außer an den Universitäten finden biophysikalische Forschungen auch an Instituten der Leibniz-Gemeinschaft und der Max-Planck-Gesellschaft statt. Daneben gibt es auch einige Biotechnologie- und Pharmafirmen, die eigene Biophysikabteilungen unterhalten.

Lehre

An den meisten deutschen Universitäten ist es derzeit nicht möglich, Biophysik als eigenständiges Fach zu studieren. Allein an der Humboldt-Universität wird ein Studiengang "Biophysik" an der biologischen Fakultät schon seit mehr als 20 Jahren angeboten. Seit Neuestem ist dieser Studiengang an der Technischen Universität Kaiserslautern als eigener Studiengang möglich. Gehört hier allerdings zur Physikalischen Fakultät. Auch die Universität Frankfurt bietet zum Wintersemester 07/08 einen Bachelor/Master-Studiengang in Biophysik an. Meist jedoch ist Biophysik nur Haupt- oder Nebenfach für Studenten der Physik. Viele Universitäten ermöglichen jedoch eine Promotion im Fach Biophysik. Die Zahl der Universitäten, die Biophysik auch als Diplom-, Master- und Bachelorstudiengang anbieten, ist allerdings steigend.

Die „Deutsche Gesellschaft für Biophysik“

Organisiert sind die deutschen Biophysiker in der Deutsche Gesellschaft für Biophysik (DGfB). Diese ist Mitglied der European Biophysical Societies' Association (EBSA) und der International Union for Pure and Applied Biophysics (IUPAB). Die größte und wichtigste biophysikalische Gesellschaft ist die Biophysical Society, die US-amerikanische biophysikalische Gesellschaft, in der auch Deutsche Mitglied werden können.

Die DGfB ist unterteilt in drei Sektionen:

• Sektion I: Molekulare Biophysik
• Sektion II: Membranen, Zellen, Netzwerke
• Sektion III: Strahlen- und Umweltbiophysik

Siehe auch

• Portal:Biologie, Portal:Physik
• Biologie, Physik, Biochemie

Literatur

Fachbücher

• Adam, Läuger & Stark: Physikalische Chemie und Biophysik. Springer, Heidelberg 2003, ISBN 3-540-00066-6
• Glaser: Biophysik. UTB, Stuttgart, 4. Aufl. 1996, ISBN 3-8252-8116-7
• Hoppe, Lohmann, Markl & Ziegler (Hrsg.): Biophysik. Springer, Berlin 1982, ISBN 3-540-11335-5
• Daune: Molekulare Biophysik. Springer, Berlin 1997, ISBN 3-540-67046-7
• Nelson: Biological Physics. W.H. Freeman & Company, 2003, ISBN 0-7167-4372-8
• Nölting: Methods in Modern Biophysics. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-27703-X
• Pfützner: Angewandte Biophysik. Springer, Wien 2003, ISBN 3-211-00876-4
• Schünemann: Biophysik. Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-21163-2
• Tritthart: Medizinische Physik und Biophysik. F.K. Verlag, 2001, ISBN 3-7945-2054-8
• Winter & Noll: Methoden der Biophysikalischen Chemie. Teubner-Verlag, 1998, ISBN 3-519-03518-9
• Kiontke: Physik biologischer Systeme. UnderConstruction, München 2006, ISBN 3-00-019701-X

Fachzeitschriften

• Biophysical Journal (engl.) Zeitschrift der amerikanischen biophysikalischen Gesellschaft ISSN 0006-3495
• European Biophysics Journal (engl.) Zeitschrift der europäischen biophysikalischen Gesellschaft EBSA ISSN 0175-7571
• Biochimica et Biophysica Acta - BBA (engl.)
• Biochemical and Biophysical Research Communications - BBRC (engl.)
• Journal of Biological and Biophysical Methods (engl.)

Literaturdatenbanken

• PubMed (engl.) Literaturdatenbank der National Library of Medicine (NLM) des National Institute of Health (NIH) (siehe auch PubMed)