Los análisis históricos, semánticos y filosóficos revelan que la biología es un campo de investigación en el que confluyen un amplio abanico de disciplinas. En suma, cabe concluir que la investigación en ciencias biológicas resulta de una hibridación de grandes principios de otras ciencias, como la física y la química, y de este modo es como se produce la bifurcación, la diversificación, con la emergencia de nuevas disciplinas como la bioquímica, la biofísica o la biología molecular.

La considerable amplitud de la biología como objeto de estudio, promueve la subdivisión en diferentes ramas del conocimiento, pero es importante insistir que, a pesar de las aparentes diferencias, todas las subdivisiones, sean disciplinares o estratégicas, están estrechamente relacionadas. De este modo, aunque fue habitual durante periodos significativos del desarrollo de la investigación biológica, separar el estudio de las plantas (botánica) del de los animales (zoología) y el estudio de la estructura de los organismos (anatomía y morfología) del de su función (fisiología), la tendencia actual se orienta a investigar todos aquellos fenómenos y procesos biológicos que comparten todos los seres vivos.

La investigación en ciencias biológicas persigue el análisis de la actividad de los seres vivos desde la perspectiva de los procesos físico-químicos que soportan tal actividad. La vía de aproximación más frecuente es la que lleva a cabo esta indagación a partir de los diferentes niveles que se corresponden con las unidades de la vida. El nivel molecular permite conocer, gracias al desarrollo y uso de técnicas e instrumentos con creciente poder de resolución, no solo las organizaciones estructurales en virtud de principios físico-químicos y que son invisibles, sino el modo en que la materia viva es capaz de reproducirse en términos moleculares.

La biología celular, cuyo objeto de estudio es la célula-unidad fundamental en términos estructurales y funcionales de los seres vivos- y que tuvo sus orígenes en el siglo XVII con el descubrimiento del microscopio, ha alcanzado su madurez con el advenimiento de nuevos instrumentos, tanto a nivel de resolución microscópica como de separación y estudio individualizado de las células. Antes de la aproximación celular, los organismos se estudiaban en su conjunto (biología de los organismos, “organismic biology”), un área de investigación que todavía se considera relevante en términos de organización biológica. La biología de poblaciones trata de la investigación sobre grupos o poblaciones de organismos que habitan un área geográfica determinada o una región. Dentro de este nivel organizativo, se incluyen los estudios sobre el papel que ciertas clases de plantas o animales juegan en las interrelaciones complejas y autorreguladas que existen entre el mundo de lo viviente y el de lo inerte, así como los estudios que entienden la elaboración y construcción de controles que mantienen estas relaciones de forma natural. De aquí se han generado la ecología y la genética de poblaciones como fruto del proceso de diversificación de disciplinas.

El otro campo de estudio de la biología según el objeto de estudio, plantas (botánica) o animales (zoología), también ha experimentado el proceso de diversificación que se ha basado en el mismo principio: es decir, tipo de organismo objeto del estudio; así han evolucionado la ornitología, estudio de los pájaros; la ictiología, estudio de los peces; la micología, estudio de los hongos; la microbiología, estudio de los microorganismos; la protozoología; estudio de los seres móviles unicelulares (protozoos); la herpetología, estudio de los anfibios y reptiles; la entomología, estudio de los insectos; y la antropología física, el estudio del hombre.

De la diversidad a la homogeneidad y vuelta a empezar.
 

La trayectoria en bucle que recorre el saber en biología y medicina se puede explorar con el concurso del análisis histórico hasta llegar a nuestros días en los que la biología ha alcanzado un crecimiento exponencial y una relevancia creciente en la sociedad en que vivimos.

La historia de las ciencias revela la existencia de momentos y circunstancias especiales en las que se producen grandes avances. Estos saltos suelen ser el reflejo de la coincidencia de dos factores: la presencia de una mente creativa, capaz de ir contra ideas establecidas y de proponer nuevas hipótesis, junto con la posibilidad de disponer de facilidades tecnológicas que permiten ensayar la realidad de esas propuestas.

La nueva aproximación sistémica se orienta a la integración y al análisis de varias corrientes de información bioquímica de forma no fácilmente comprensible para la inteligencia humana por lo que se puede conseguir la validación de teorías, planteadas como tesis de trabajo, sin necesidad de un gran número de años de ensayos sobre la base de la prueba y el error.

El término “biología de sistemas”, cuyos orígenes se sitúan en el siglo XIX en relación a los conocimientos sobre embriología y los análisis matemáticos de redes, se ha aplicado en perspectiva histórica al análisis de una variedad de áreas de la biología, incluyendo ecología, biología del desarrollo, e inmunología. En estos momentos, la revolución genómica ha catapultado la biología molecular en el terreno de la biología de sistemas, recuperando el sentido fisológico de los estudios sobre organismos. Las aproximaciones sistémicas aplicadas al estudio de los organismos unicelulares y líneas celulares bien definidas, procedentes de organismos superiores, están permitiendo dar pasos definitivos para la comprensión de las bases científicas y las aplicaciones biotecnológicas. La biología de sistemas contemporánea surge de la convergencia de dos líneas de investigación en biología molecular: una primera que se fundamenta en los trabajos seminales sobre la naturaleza del material genético, la caracterización estructural de las macromoléculas y los subsiguientes avances en tecnologías recombinantes y de alto poder de resolución; la segunda, que supone una base más alejada de la tradicional biología molecular pero no menos robusta para el concepto de biología de sistemas, tiene sus raíces en la teoría de la termodinámica de los procesos irreversibles (lejos del equilibrio), en la resolución de las rutas bioquímicas y el reconocimiento de los retrocontroles en los organismos unicelulares, así como en el creciente reconocimiento de la existencia de redes en biología.

La aparición de la revista Molecular Systems Biology marca el punto álgido de este movimiento y ha servido para poner de manifiesto que la biología ha adquirido un nuevo estatuto con el que la investigación recurre a nuevos instrumentos tecnológicos y conceptuales para progresar en el conocimiento sistémico de organismos; investigación que permite modelar y comprender a los seres vivos. Este es el objetivo de la “nueva”, reorientada, disciplina que se acoge bajo el rótulo de “Biología de Sistemas” o “Biología sistémica”, que en sus primeros pasos se ha consagrado al estudio de organismos modelo bien caracterizados. Por otro lado, el desarrollo de la genómica, como fruto de la explosión generada por el proyecto genoma humano, ha abierto amplias expectativas acerca de las oportunidades que se ofrecen a la medicina a partir de las aplicaciones, desde una visión amplia, de las aproximaciones sistémicas.

Las lecciones derivadas de los estudios realizados, desde la perspectiva de la biología sistémica, sobre organismos sencillos como bacterias o levaduras han conformado las previsiones beneficiosas que este tipo de aproximaciones podrán aportar a la investigación biomédica y a las aplicaciones clínicas.

La constatación de este potencial ha llevado a los responsables editoriales de la revista Molecular Systms Biology (EMBO y Nature Publishing Group) a publicar un Suplemento bajo el titulo “Systems Biology in Human Health and Disease” en el mes de octubre de 2007.

El Suplemento recoge seis artículos publicados previamente en la revista que se agrupan, de dos en dos, en tres grandes apartados: 1)En búsqueda de mecanismos al nivel sistémico; 2) Una visión en red de las enfermedades humanas; 3) Sondeando los estados fisiológicos.

Por otra parte, en el interesante editorial del suplemento, su autor, Thomas Lemberger de la Organización Europea de Biología Molecular (EMBO), pasa revista a los beneficios que la investigación médica tanto básica como clínica, puede conseguir de este tipo de estudios: “una profundización en el conocimiento de la relación entre genotipo y fenotipo; información sobre el impacto de las interacciones entre las condiciones ambientales y el genotipo; nuevas perspectivas mecanísticas y funcionales basadas en aproximaciones globales sin apriorismos; elaboración de poderosos modelos predictivos apoyados en la sofisticada información procedente de los estados fisiológicos”.

Es evidente que los avances en estos distintos frentes van a depender de la naturaleza, intensidad y orientación de la investigación realizada y como se acompaña ésta con la maduración de técnicas y conceptos.

El editor del Suplemento de la revista Molecular Systems Biology propone el surgimiento de otra nueva disciplina, o subdisciplina, como resultado de la confluencia entre la medicina y la biología de sistemas; para la que sugiere el nombre de Medicina de Sistemas o Medicina Sistémica.

En este territorio, hay que apuntar la colaboración que la protéomica cuantitativa puede aportar a la comprensión del funcionamiento de las rutas de transducción de señiales, con especial énfasis en la biología del cáncer.

Estos estudios revelan la gran interconectividad existente entre las rutas biológicas, propiedad que conduce a importantes consecuencias para el diseño de medicamentos y para avanzar en la farmacología molecular. La importancia de las interconexiones subraya la necesidad de transformar el clásico concepto lineal de las rutas biológicas por representaciones reticulares. Estos cambios conceptuales pueden transformar los paradigmas actuales en relación con la clasificación de las enfermedades y de sus tratamientos.

Las nuevas y poderosas estrategias computacionales en combinación con las técnicas, hoy día bien consolidadas, de perfiles de expresión de genomas en una perspectiva ampliada (“genome-wide expresion”) conducen a que se disponga de instrumentos que permiten revertir la estructura de las redes, e identificar y seguir los intermediarios asociados con un proceso patológico.

Los avances en la genómica, que han abierto nuevas avenidas en la genética humana, se suceden de modo vertiginoso. Pero este impresionante progreso, no debe ocultar que las patologías no sólo tienen determinantes genéticos, sino que se caracterizan por procesos fisiológicos alterados, por lo que el factor fisiológico debe ser atendido debidamente. En este sentido hay que subrayar las visiones integradoras que aporta el campo de la “metabonómica” -tratado previamente en esta sección de la web del Instituto Roche – que subraya la importancia de integrar todas las facetas de la fisiología como pueden ser las contribuciones de la flora microbiana (“microbioma”) y del ambiente, adoptando una perspectiva más global para la caracterización de las patologías que la suministrada por el paradigma del genoma ampliado (el ya referido “wide genome”).

Es evidente que la aplicación de técnicas de seguimiento de alto rendimiento ha permitido alcanzar un soporte de información que revela un potencial creciente de modelos para predecir la susceptibilidad a las enfermedades, la respuesta al tratamiento e, incluso, el mayor reto que supone el pronóstico acerca de la evolución de la enfermedad.

La aplicación extensiva de este conjunto de tecnologías va a ser fundamental para abrir la era de la medicina personalizada con la formulación de estrategias a la medida, que abarquen todas las dimensiones de la práctica clínica.

La traslación del marco conceptual y operativo de la “Biología de Sistemas” a la biología de los seres humanos constituye un gran desafío que hay que afrontar con serenidad y seriedad, procurando evitar las hipérboles, pero con la confianza de que se abre un porvenir de grandes expectativas para contribuir al bienestar humano.