生物物理学は、物理学で伝統的に使用されてきたアプローチと方法を生物学的現象の研究に適用する学際的な科学です。[1] [2] [3] [4]

概要

リボソームは生物学的機械である。 タンパク質ドメインのダイナミクスは中性子スピンエコー分光法によってのみ観察できる。

分子生物物理学は、生化学や分子生物学と同様の生物学的な問いに典型的に取り組み、生体分子現象の物理的基盤の解明を目指します。この分野の科学者は、 DNA、RNA、タンパク質生合成などの細胞内の様々なシステム間の相互作用、そしてそれらの相互作用がどのように制御されるかを理解するための研究を行います。これらの問いに答えるために、多種多様な手法が用いられます。

生物物理学は、分子レベルから個体レベル、そして個体群レベルまで、生物学的組織のあらゆるスケールを網羅します。生物物理学の研究は、生化学、分子生物学、物理化学、生理学、ナノテクノロジー、バイオエンジニアリング、計算生物学、生体力学、発生生物学、システム生物学と多くの分野が重複しています。 蛍光イメージング技術に加え、電子顕微鏡法、X線結晶構造解析、NMR分光法、原子間力顕微鏡法（AFM）、小角散乱法（SAS）なども用いられます。

小角 X 線散乱と小角中性子散乱(SAXS/SANS) は、生物学的に重要な構造を視覚化するためによく使用されます。タンパク質のダイナミクスは、中性子スピンエコー分光法で観察できます。構造の立体配座の変化は、二重偏光干渉法、円二色性、SAXS、SANSなどの技術を使用して測定できます。光ピンセットまたはAFMを使用した分子の直接操作は、力と距離がナノスケールである生物学的イベントのモニタリングにも使用できます。分子生物物理学者は、複雑な生物学的イベントを、統計力学、熱力学、化学反応速度論などを通じて理解できる相互作用する実体のシステムと見なすことがよくあります。さまざまな分野の知識と実験手法を活用することで、生物物理学者は、個々の分子または分子の複合体の構造と相互作用を直接観察、モデル化、さらには操作することさえできることがよくあります。

キネシンは、ナノスケールのタンパク質ドメインダイナミクスを利用して、微小管に沿って「歩きます」。

生物物理学の一分野である医学物理学は、放射線医学から顕微鏡検査、ナノ医療に至るまで、物理学の医学またはヘルスケアへの応用全般を指します。例えば、物理学者リチャード・ファインマンはナノ医療の将来について理論を立てました。彼は生物学的機械の医療利用というアイデアについて著述しました（ナノマシンを参照）。ファインマンとアルバート・ヒブスは、特定の修復機械が将来的には（ファインマンの言葉を借りれば）「医者を飲み込む」ことができるほど小型化されるかもしれないと示唆しました。このアイデアは、ファインマンが1959年に書いたエッセイ「 There's Plenty of Room at the Bottom（底には十分な余地がある）」で議論されています。[ 5]

生物物理学という用語は、学問の世界でも頻繁に使用され、生物システムにおける物理量（電流、温度、ストレス、エントロピーなど）の研究を指します。分子生物学、細胞生物学、化学生物学、生化学など、他の生物学分野でも、生体の生物物理学的特性に関する研究が行われています。構造生物学や酵素反応速度論などの従来の（分子および細胞の）生物物理学的トピックに加えて、現代の生物物理学は、バイオエレクトロニクスから量子生物学まで、実験ツールと理論ツールの両方を伴う非常に広範囲の研究を網羅しています。生物物理学者が物理学、数学、統計から得られたモデルや実験手法を、組織、臓器、[6]個体群[ 7 ]生態系などのより大きなシステムに適用することがますます一般的になっています[4] 。生物物理学的モデルは、単一ニューロンの電気伝導の研究、および組織と脳全体の神経回路解析に広く使用されています。[要引用]

歴史

ルイジ・ガルヴァーニ（1737–1798）の研究は、後の生物物理学の分野の基礎を築きました。生物物理学における初期の研究の一部は、1840年代にベルリン学派として知られる生理学者グループによって行われました。そのメンバーには、ヘルマン・フォン・ヘルムホルツ、エルンスト・ハインリヒ・ウェーバー、カール・FW・ルートヴィヒ、ヨハネス・ペーター・ミュラーといった先駆者たちが含まれていました。[8]

生物物理学という用語は、1892年にカール・ピアソンによって初めて導入されました。[9] [10] ウィリアム・T・ボヴィー（1882–1958）は、20世紀半ばにおけるこの分野のさらなる発展を先導した人物として知られています。彼は電気外科手術の開発を先導しました。

エルヴィン・シュレーディンガーの著書『生命とは何か』が出版されたことで、この分野の人気が高まりました。 [要出典] 1957年以来、生物物理学者たちは生物物理学会を組織し、現在では世界中に約9,000人の会員がいます。[11]

ロバート・ローゼンなどの一部の著者は、生物物理学的方法が生物学的現象の特殊性を考慮していないという理由で生物物理学を批判している。[12]

サブフィールドとしての焦点

一部の大学には、通常は大学院レベルで生物物理学の専門学科がありますが、多くの大学には大学レベルの生物物理学の学科はなく、代わりに生化学、細胞生物学、化学、コンピューターサイエンス、工学、数学、医学、分子生物学、神経科学、薬理学、物理学、生理学などの関連学科のグループがあります。大学の学科の強みに応じて、生物物理学の分野に異なる重点が置かれます。以下は、各学科が生物物理学の研究にどのように力を入れているかの例です。このリストはすべてを網羅しているわけではありません。また、各研究分野は特定の学科に排他的に属するものではありません。各学術機関は独自の規則を定めており、学科間で多くの重複があります。[要出典]

多くの生物物理学的手法はこの分野に特有です。生物物理学の研究は、生物学者、化学者、または物理学者を専門とする科学者によって開始されることが多いです。

参照

参考文献

  1. ^ 「生物物理学 | 科学」ブリタニカ百科事典. 2018年7月26日閲覧。
  2. ^ Zhou HX (2011 年3月). 「Q&A：生物物理学とは？」BMC Biology 9-13 . doi : 10.1186/1741-7007-9-13 . PMC 3055214. PMID 21371342  . 
  3. ^ 「生物物理学の定義」www.dictionary.com . 2018年7月26日閲覧。
  4. ^ ab Kuba, Jaroslav (2025). 生物物理学：基礎、問題、そして解決策. サンディエゴ、カリフォルニア州: Academic Press (Elsevier).
  5. ^ ファインマンRP（1959年12月）「底辺には十分な余地がある」。2010年2月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年1月1日閲覧。
  6. ^ Sahai, Erik; Trepat, Xavier (2018年7月). 「メソスケールにおける集団細胞組織の物理的原理」. Nature Physics . 14 (7): 671– 682. Bibcode :2018NatPh..14..671T. doi :10.1038/s41567-018-0194-9. hdl : 2445/180672 . ISSN  1745-2481. S2CID  125739111.
  7. ^ ポプキン、ガブリエル (2016年1月7日). 「生命の物理学」. Nature News . 529 (7584): 16–18 . Bibcode :2016Natur.529...16P. doi : 10.1038/529016a . PMID  26738578.
  8. ^ Franceschetti DR (2012年5月15日). 応用科学. Salem Press Inc. p. 234. ISBN 978-1-58765-781-8。
  9. ^ ピアソン、カール（1892年）『科学の文法』470ページ。
  10. ^ ローランド・グレイザー著『生物物理学入門』シュプリンガー、2012年4月23日、 ISBN 978-3-642-25212-9。
  11. ^ Rosen J, Gothard LQ (2009). 物理科学百科事典. Infobase Publishing. p. 4 9. ISBN 978-0-8160-7011-4。
  12. ^ Longo G, Montévil M (2012-01-01). 「物質の不活性状態と生体状態：拡張臨界性、時間幾何学、反エントロピー - 概要」. Frontiers in Physiology . 3 : 39. doi : 10.3389/fphys.2012.00039 . PMC 3286818. PMID  22375127 . 

出典

生物物理学に関する図書館資料
  • ライブラリ内のリソース
  • 他の図書館のリソース
  • Perutz MF (1962).タンパク質と核酸：構造と機能. アムステルダム: Elsevier. ASIN  B000TS8P4G.
  • Perutz MF (1969年5月). 「1968年クルーニアン講演．ヘモグロビン分子」.ロンドン王立協会紀要. シリーズB, 生物科学. 173 (1031): 113–40 .書誌コード:1969RSPSB.173..113P. doi :10.1098/rspb.1969.0043. PMID  4389425. S2CID  22104752.
  • Dogonadze RR, Urushadze ZD (1971). 「極性液体中で進行する化学反応の速度計算における半古典的方法」. J Electroanal Chem . 32 (2): 235– 245. doi :10.1016/S0022-0728(71)80189-4.
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  • ロドニー・MJ・コテリル（2002年）『生物物理学入門』Wiley ISBN 978-0-471-48538-4。
  • Sneppen K, Zocchi G (2005-10-17).分子生物学における物理学（第1版）. Cambridge University Press . ISBN 978-0-521-84419-2。
  • Glaser R (2004-11-23).生物物理学入門（改訂版）. Springer. ISBN 978-3-540-67088-9。
  • Hobbie RK, Roth BJ (2006). 『医学と生物学のための中級物理学』（第4版）. Springer. ISBN 978-0-387-30942-2。
  • Cooper WG (2009年8月). 「転写酵素の量子処理の証拠は、重ね合わせプロトン状態のエンタングルメントとデコヒーレンスを示唆する」. Bio Systems . 97 (2): 73– 89. Bibcode :2009BiSys..97...73C. doi :10.1016/j.biosystems.2009.04.010. PMID  19427355.
  • Cooper WG (2009年12月). 「バクテリオファージT4が示す時間依存的変異のスペクトルを説明するには量子コヒーレンスが必要である」.生化学遺伝学. 47 ( 11–12 ): 892–910 . doi :10.1007/s10528-009-9293-8. PMID  19882244. S2CID  19325354.
  • ゴールドファーブ・D (2010). 『生物物理学の謎を解き明かす』マグロウヒル. ISBN 978-0-07-163365-9。
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  • 生物物理学会
  • 生理学ジャーナル：2012年バーチャル号 生物物理学とその先
  • 生物物理学ウィキ
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