Weende (Göttingen) und Biophysik: Unterschied zwischen den Seiten

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 beschäftigt sie sich aber auch mit der gezielten Neu- und Weiterentwicklungen physikalischer Methoden zur Untersuchung biologischer Prozesse.

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 zwangläufig 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.

Der Begriff Biophysik

Der Begriff Biophysik setzt sich zusammen aus den griechischen Begriffen Bios (βiοs) = „das Leben“ und physike (φυσική) = „die Natürliche“.

Klassisch betrachtet 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 Gundbausteine sämtlichen Lebens (die Zellen) aus unbelebter Materie (den Molekülen und supramolekularen Verbänden) aufgebaut sind, es müssen somit zumindest die Grundprozesse der Biologie den Gesetzten der Physik gehorchen. Begreift man die Physik jedoch im moderneren 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 nicht von freien Entscheidungen getriebenen biologischen Prozesse den Gesetzten 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, d.h. in der Regel können biologische Prozesse nur intergral 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 Modelsystemen 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 sicher stellen, dass das verwendete Modelsystem in der Lage ist das biologische System ausreichend zu beschreiben. Die wichtigsten Grundlagen bilden dabei 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 Wissenschftlern 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.
• Membranbiophysik beschäftigt sich mit der Untersuchung der phsyikochemischen Eigenschaften von Biomembranen und ihren funktionellen Bestandteilen, z.B. Kanälen, Rezeptoren und Transportern, und deren Wechselwirkung mit bioaktiven Substanzen, z.B. Peptiden.
• Elektrophysiologie untersucht die Funktionsweise und das Zusammenwirken elektrisch erregbarer Zellen im Nervensystem und in der Muskulatur.
• Biomechanik befasst sich mit Funktionen und Strukturen von Bewegungsapparat und Bewegungen von biologischen Systemen.
• Photobiophysik und Biophotonik beschäftigen sich mit den Auswirkungen externer Lichtquellen bzw. der Funktion schwacher Biophotonenemission in lebenden Systemen.
• Bioenergetik beschäftigt sich mit der Thermodynamik von Stoffwechselvorgängen.
• Strahlenbiophysik beschäftigt sich mit der Auswirkung ionisierender Strahlung auf Organismen und deren Anwendung beispielsweise in der Therapie.
• Bioinformatik ist kein Teilgebiet der Biophysik im eigentlichen Sinne, ist jedoch in vielen Punkten eng mit ihr verbunden.
• Spektroskopie und in der Biologie wichtige Bildgebungsverfahren (z.B. Magnetresonanztomografie, Computertomografie)
• 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 Kathrine 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

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 Forschung aber auch an Instituten der Leibniz-Gemeinschaft und der Max-Planck-Gesellschaft statt. Daneben gibt es auch einige Biotechnologie- und Pharmafirmen, die eigene Biophysikabteilungen unterhalten.

Die „Deutsche Gesellschaft für Biophysik“

Organisiert sind die deutschen Biophysiker in der Deutsche Gesellschaft für Biophysik (DGfB), sie 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

Arbeitsgruppen und Institute

• Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt
• Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie (Karl-Friedrich-Bonhoeffer-Institut) in Göttingen
• Forschungsbereich Biophysik an der Universität Magdeburg
• Abteilung Biophysik an der Universität Ulm
• Laborgruppe Biophysik am Forschungszentrum Borstel, Leibniz-Zentrum für Medizin und Biowissenschaften [1]
• Zentrum für Biochemie und Molekularbiologie der Christian-Albrechts-Universität Kiel [2]
• Institut für Molekulare Biophysik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz [3]
• Biophysik an der Ludwig-Maximilians-Universität, München

Lehre

An den meisten Deutschen Universitäten ist es derzeit nicht möglich Biopysik als eigenständiges Fach zu studieren, meist wird es nur als Haupt- oder Nebenfach für Studenten der Physik angeboten, viele Universitäten ermöglichen jedoch eine Promotion im Fach Biophysik. Die Zahl der Universitäten die Biopysik auch als Diplom-, Master- und Bachelorstudiengang anbieten ist allerdings steigend.

Studiengang Biophysik

• Studiengang Biophysik an der Technischen Universität München, München
• Schwerpunktstudium Biophysik an der Ludwig-Maximilians-Universität, München
• Studiengang für Biophysik an der Humboldt-Universität, Berlin
• Studiengang Biophysik an der Technische Universität Kaiserslautern
• Vertiefungsfach Biophysik im Rahmen des Diplomstudienganges Physik an der Universität Heidelberg
• Bachelorstudiengang Biophysik an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (in Vorbereitung)

Kongresse und Workshops

• 5th European Biophysics Congress and 15th IUPAB joint Congress (engl.)

27 August – 1 September 2005, Montpellier, Frankreich

• 50th Annual Meeting of the Biophysical Society (engl.)

18 – 22 Februar 2006, Salt Lake City, Utah, USA

• 6th European Biophysics Congress

14 – 18 Juli 2007, London, Großbritannien

• 7th European Biophysics Congress

im Juli 2009, Genua, Italien

Siehe auch

• Kategorie:Biophysik
• Portal:Biologie, Portal:Physik
• Biologie, Physik, Biochemie

Literatur

Fachbücher

• Adam, Läuger & Stark: Physikalische Chemie und Biophysik. Springer, Heidelberg, 2003, ISBN 3540000666
• Glaser: Biophysik. UTB, Stuttgart, 4. Aufl. 1996, ISBN 3825281167
• Hoppe, Lohmann, Markl & Ziegler (Hrsg.): Biophysik. Springer, Berlin, 1982, ISBN 3540113355
• Daune: Molekulare Biophysik. Springer, Berlin, 1997, ISBN 3540670467
• Nelson: Biological Physics. W.H. Freeman & Company, 2003, ISBN 0716743728
• Nölting: Methods in Modern Biophysics. Springer, Berlin, 2005, ISBN 354027703X
• Pfützner: Angewandte Biophysik. Springer, Wien, 2003, ISBN 3211008764
• Schünemann: Biophysik. Springer, Berlin, 2004, ISBN 3540211632
• Tritthart: Medizinische Physik und Biophysik. F.K. Verlag, 2001, ISBN 3794520548
• Winter & Noll: Methoden der Biophysikalischen Chemie. Teubner-Verlag, 1998, ISBN 3519035189

Fachzeitschriften

Biophysikalische Zeitschriften

• 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.)

Biochemische Fachzeitschriften

• The Journal of Biological Chemistry - JBC (engl.) Zeitschrift der amerikanische Gesellschaft für Biochemie und Molekularbiology ISSN 0021-9258
• Biochemistry (engl.) ISSN 0006-2960
• Biochemical Journal (engl.) ISSN 0306-3275
• Chemistry and Biology (engl.) ISSN 1074-5521

Literaturdatenbanken

• PubMed (engl.) Literaturdatenbank der National Library of Medicine (NLM) des National Institute of Health (NIH) (siehe auch Wiki-Artikel zum Thema PubMed)