De la física a la biología. Un viaje de ida y vuelta

Proyecto de Innovación Convocatoria 2023/2024 Nº de proyecto: 400 De la física a la biología. Un viaje de ida y vuelta. Responsible del proyecto: Juan José Mazo Torres Facultad de Ciencias Físicas Departamento de Estructura de la Materia, Física Térmica y Electrónica 1.- Objetivos propuestos en la presentación del proyecto El objetivo fundamental de este proyecto es plantear acciones de mejora en el aprendizaje de contenidos de física de los alumnos del grado en Biología. En particular tanto en el ámbito de la asignatura Física Aplicada a la Biología, impartida en primer curso, como mediante la oferta de trabajos fin de grado. Física Aplicada a la Biología es el nombre de una asignatura de 6 ECTS que se imparte en el segundo semestre del primer curso del Grado en Biología, perteneciendo al módulo de enseñanzas básicas del grado. Este proyecto nace del interés de un grupo de profesores de la Facultad de Ciencias Físicas, responsables de la impartición de la asignatura, de realizar acciones de mejora docente en la misma que permitan mejorar las dinámicas de enseñanzaaprendizaje de la asignatura y la integración de los conceptos transmitidos en el conjunto de la titulación. En la propuesta definimos un total de 5 objetivos enmarcados en 3 líneas o ámbitos de actuación diferenciados L1 Mejoras en el ámbito de la asignatura Física Aplicada a la Biología (FAB): O1Realizar propuestas concretas de mejora en el desarrollo del programa de la asignatura. Se pretende dar pautas armonizadoras que ayuden a resolver el problema al que se enfrenta todo profesor de la asignatura a la hora de fijar el nivel de profundización en los contenidos de los distintos epígrafes de la asignatura. Buscará fomentar, en particular, la presentación de dichos conceptos desde la perspectiva de su relación con el comportamiento de los seres vivos, y no tanto por su relevancia para la física en general. O2Mejorar la colección de problemas de la asignatura. Este objetivo está directamente ligado al desarrollo del anterior, ya que cualquier reorientación en el programa de la asignatura debe ir acompañado de una propuesta adecuada de colección de problemas. O3Mejorar la docencia de laboratorio de la asignatura. Los alumnos de FAB deben realizar dos de un conjunto de cuatro prácticas de laboratorio. Dichas prácticas han sido seleccionadas entre las posibilidades del laboratorio de Física General. Claramente alguna de las prácticas que se realizan en la actualidad no son las más adecuadas para una asignatura como FAB (en particular la medida del cambio de la resistencia de una bombilla con la temperatura). Nuestro objetivo es diseñar una nueva propuesta de prácticas de laboratorio que se adapten mejor a los contenidos de la asignatura y puedan ser implementadas en cuanto sea posible. L2 Mejoras en el ámbito de la oferta de Trabajos Fin de Grado O4.- Elaborar una oferta de TFG en el ámbito de la modelización física y/o matemática de sistemas biológicos. El curso 2022-2023, dos de los profesores involucrados en la propuesta hemos ofrecido por primera la posibilidad de realizar un trabajo fin de grado en problemas relacionados con la modelización física y matemática de diversos problemas de interés biológico (movimiento de bacterias y dinámica de poblaciones). La buena acogida que esta oferta ha tenido y el convencimiento de que su realización permite al alumno la adquisición de una serie de competencias y habilidades útiles para su posterior desempeño profesional o académico nos anima a profundizar en esta idea. Actuaremos, por un lado, identificando una serie de problemas relevantes y definiendo, por otro, un programa formativo adecuado para que los alumnos puedan desarrollar satisfactoriamente los proyectos presentados, que necesitan básicamente de la adquisición de una serie de nociones básicas de computación, preferiblemente en lenguaje Python, pero no exclusivamente. L3 Otras acciones O5.- Identificar un conjunto de profesores e investigadores interesados en realizar nuevas acciones innovadoras en el ámbito de la física y la biología. Para desarrollar los objetivos anteriores el proyecto plantea una serie de reuniones y entrevistas con los colectivos adecuados. Por todo ello el proyecto también dará lugar a la configuración de una comunidad complutense interesada y activa en problemas de biofísica que pueda impulsar nuevas acciones innovadoras tanto a nivel docente como investigador en nuestra universidad. 2. Objetivos alcanzados Todos los objetivos se han alcanzado hasta cierto grado. En particular. O1Se han realizado propuestas concretas de mejora en el desarrollo del programa de la asignatura. Estas propuestas nacen de una mejora en la coordinación de los contenidos de la asignatura buscando mantener el difícil equilibrio entre que todos los grupos impartan unos contenidos mínimos comunes y que cada profesor disponga de la necesaria libertad de incidir en aquellos aspectos que considere que pueden ser especialmente relevantes. En las reuniones realizadas se ha incidido en la conveniencia de presentar los diferentes temas desde la perspectiva de su relación con el comportamiento de los seres vivos, y no tanto desde su relevancia para la física en general. Se espera que estas mejoras se puedan comenzar a implementar durante el curso 24-25. O2Hemos revisado ampliamente la colección común de problemas de la asignatura. Esta colección tiene mucha importancia en el desarrollo de la asignatura pues acaba definiendo los contenidos teóricos y prácticos de la asignatura y sirve de elemento armonizador entre los diferentes grupos. Podemos decir que para superar la asignatura el alumno debe ser competente para resolver los problemas introducidos en la colección o similares. En particular se ha realizado un análisis crítico de los problemas puestos en los exámenes durante los últimos 10 años de impartición de la asignatura que ha llevado a las debidas modificaciones en la relación de problemas propuestos a los alumnos. O3Se ha puesto a punto una nueva práctica en el contexto de la asignatura consistente en la medida del potencial de Nernst o potencial de membrana. Esta práctica se va a impartir el curso 24-25. Además, se ha puesto de manifiesto la necesidad de mejorar la redacción de dos de los otros tres guiones de prácticas. O4.- Se han fijado las bases para elaborar una oferta de TFGs en el ámbito de la modelización física y/o matemática de sistemas biológicos. No obstante, la oferta final va a estar muy fuertemente condicionada por las circunstancias y posibilidades de los profesores que imparten la asignatura o quieran colaborar en esta acción. O5.- Se ha identificado un nutrido equipo de personas en la complutense interesados en problemas de “materia blanda”, lo que incluye el interés en sistemas biofísicos. 3. Metodología empleada en el proyecto El proyecto, en su definición, contemplaba una serie de tareas concretas y un responsable para cada una de ella. La línea metodológica fundamental para la consecución de los objetivos O1, O2, O3 y O4 se ha articulado en torno a la realización de reuniones con los agentes implicados en el desarrollo de los mismos. Las mejoras propuestas o implementadas son fruto del resultado de dichas reuniones y discusiones posteriores en torno a lo abordado en ellas. En relación con el objetivo O3 se ha hecho una intensa labor de trabajo en el laboratorio para el diseño de un prototipo de práctica y su puesta a punto. Trabajo que ha sido alcanzado con un éxito notable. Además, se han realizado las propuestas adecuadas para que la adquisición del material sea financiado por las facultades involucradas. 4. Recursos humanos En el desarrollo del proyecto han participado las siguientes personas. • Juan José Mazo Torres. Ha sido el responsable del proyecto y ha participado en su coordinación y en el desarrollo de todos los objetivos del mismo. Es profesor de la asignatura y coordinador de la misma y posee experiencia investigadora en problemas de física de sistemas biológicos. • Maurizio Mattesini. Ha participado en el desarrollo de los objetivos O1 y O2. Durante el curso 23-24 ha sido responsable de la impartición de la docencia en 2 de los 5 grupos de la asignatura. • Luis Dinis. Ha sido profesor de la asignatura recientemente y durante un periodo dilatado de tiempo (10 cursos). Ha participado en el desarrollo de los objetivos O3, O4 y O5 de la asignatura. Posee experiencia investigadora en problemas de física de sistemas biológicos. • Manuel Zarco Moreno es Técnico de Laboratorio en el Laboratorio de Física General. Además, participa en la docencia de la asignatura como profesor asociado. Su papel se ha centrado en el desarrollo y consecución del objetivo O3. • Víctor Manuel Valencia Cárdenas es biólogo recién graduado (curso 22-23) en la UCM y estudiante de un máster de biofísica. Ha colaborado en la consecución del objetivo O4 del proyecto. 5.- Desarrollo de las actividades Objetivos O1 y O2. Contenidos de las clases de teoría y problemas. Se desarrollaron dos reuniones de coordinación en las que participaron todos los profesores de la asignatura. La primera de las reuniones se celebró el 11 de octubre de 2023 y en ella se analizaron los contenidos de los primeros bloques de la asignatura: cinemática, dinámica, fuerzas y energía, estática de fluidos, dinámica de fluidos ideales y dinámica de fluidos viscosos. Se discutió reducir el peso de parte de la asignatura para ampliar la explicación del tema de leyes de escala y de movimiento circular. Se revisó la colección de problemas y se modificaron total o parcialmente un 25% de los mismos. La segunda de las reuniones tuvo lugar el 8 de noviembre de 2023. En esa reunión se analizaron los contenidos de termodinámica, electricidad y ondas. Se discutió enfatizar en los conceptos de ritmo metabólico y energía libre. Se propone seguir explicando procesos termodinámicos, pero no hacer énfasis en máquinas termodinámicas. Se plantea utilizar la parte de circuitos eléctricos para hacer analogías con el caso de circuitos de fluidos o de transmisión de calor por conducción. Se plantea orientar la enseñanza de electricidad hacia el cálculo de energías de enlace y el comportamiento eléctrico de la membrana biológica. Se pone de manifiesto que la parte de ondas es muy reducida, pero no hay tiempo material para impartir más temario. Objetivo O3. Contenido de las prácticas de laboratorio. Una de las partes fundamentales del trabajo desarrollado se refiere a la mejora de las prácticas de laboratorio, con acciones que han ido más allá de lo inicialmente propuesto. En la actualidad los alumnos realizan dos de entre las siguientes cuatro prácticas: • Medida de la densidad de líquidos (P9) • Medida de la tensión superficial (P10) • Entalpía de fusión del hielo (P14) • Curva característica de una bombilla (P17) De entre ellas, la P17 no parece ser la más adecuada para una asignatura de Física Aplicada a la Biología. Por ello hemos estado trabajando para sustituirla por una práctica cuyo objetivo es la “medida del potencial de membrana o potencial de Nernst”. Es importante decir que no se trata de adquirir un montaje comercial, sino de diseñar una de elaboración propia. Este trabajo se ha desarrollado fundamentalmente en tres etapas: 1. En una primera etapa los profesores Luis Dinis y Juan J. Mazo diseñaron un montaje prototipo y plantearon su adquisición a la Facultad de Ciencias Físicas que ha apoyado sin reservas la iniciativa desde un primer momento. El material llegó a la facultad durante septiembre de 2023. 2. Entre octubre de 2023 y abril de 2024, Manuel Zarco, técnico del laboratorio de Física General y Juan José Mazo realizaron diversas medidas de prueba para definir adecuadamente las dimensiones de la celda electroquímica final y las concentraciones adecuadas de las disoluciones empleadas. Adjuntamos una imagen con el resultado final donde en el eje X se muestra el logaritmo del cociente de concentraciones y en el Y la diferencia de voltaje medida. La serie azul corresponde a la predicción teórica y la naranja al resultado experimental. El resultado obtenido es muy bueno teniendo además en cuenta que es esperable una pendiente ligeramente menor a la predicha debido a las desviaciones del comportamiento de la membrana respecto el caso ideal. 3. Una vez diseñada la práctica nos hemos puesto en contacto con la Facultad de Ciencias Físicas y la de Ciencias Biológicas para financiar la elaboración de un total de 10 montajes (9 para usar y 1 de reserva), como es práctica habitual en los montajes de laboratorio de la facultad. La compra ha sido aprobada y será financiada fundamentalmente por Físicas pero con el apoyo de Biológicas que contribuirá al coste de casi 2 de los montajes propuestos. Queda pendiente la elaboración del guion de la práctica de cara a su implementación entre los alumnos en el segundo semestre del próximo curso 24-25, aunque ya se dispone de un primer borrador de partida, basado en una práctica similar impartida hace años en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Zaragoza. Además, se ha hecho una revisión crítica de los guiones y se ha decidido modificar adecuadamente los de las prácticas de medida de densidad de líquidos (P9) y de medida de la tensión superficial (P10). El guion de la P9 será modificado por el profesor Alberto Domínguez y el de la P10 por el profesor Juan J. Mazo. Objetivo O4. Trabajos fin de grado. La oferta de TFGs en biofísica fue comenzada por Luis Dinis y Juan J Mazo en el curso 22-23 (2 TFGs) y ha tenido continuidad en el curso 23-24 (1 TFG) de modo más limitado por la disponibilidad y carga de trabajo de los profesores involucrados durante este curso. El proyecto plantea identificar por un lado temas apropiados y por otro lado personas con capacidad e interés para ampliar la oferta actual. Los objetivos de la propuesta se han cumplido en parte. Se han identificado temas adecuados, que giran en torno a conceptos o problemas planteados en diversas asignaturas a lo largo del grado, queda involucrar a más profesorado. Para realizar este trabajo ha resultado muy valiosa la colaboración de Víctor Valencia. Víctor hizo su TFG en el curso 2022-23 bajo la dirección de Luis Dinis y Juan J Mazo, se graduó el curso pasado y durante el curso 2023-24 ha cursado el máster universitario en Física de la Materia Condensada y Sistemas Biológicos de la Universidad Autónoma de Madrid. A continuación, presentamos un listado de posibles trabajos a ofertar en un futuro cercano: • Estudio de la movilidad de bacterias. El caso de la E. Coli. • Modelos de propagación de epidemias. • Potencial de acción y dinámica de neuronas. • Espectroscopía de fuerzas para el estudio de las propiedades mecánicas y térmicas de biomoléculas o complejos biomoleculares. • Modelos en biología de sistemas (osciladores biológicos, interruptores biológicos,…) Objetivo O5. Según el plan inicial este objetivo era el último en desarrollar y se centraba en la identificación de un conjunto de profesores e investigadores interesados en realizar acciones de innovación docente en el ámbito de la física y la biología. Estos profesores en principio pertenecerían a las facultades de Ciencias Físicas, Biológicas o Químicas de nuestra universidad. Nuestra iniciativa ha solapado, al menos parcialmente, en tiempo y objetivos con la solicitud de un proyecto nacional Red de Materia Condensada Blanda, liderado desde la Universidad de Barcelona, en el que la UCM tiene una participación muy notable (es el nodo con más investigadores participantes). Juan José Mazo es el responsable UCM de dicha red. La Materia Condensada Blanda incluye entre sus campos de interés a los sistemas biológicos y los investigadores de este campo comparten métodos y herramientas con los de biofísica. A continuación, presentaremos una relación de los doctores de la UCM participantes en la Red de Materia Condensada Blanda. Esta identificación culmina el objetivo propuesto quedando más allá de este proyecto la discusión y puesta en marcha de posibles iniciativas innovadoras en biofísica, a nivel docente o investigador, en nuestra universidad. • Facultad de Ciencias Físicas: Juan J. Mazo (CU), Miguel Ruiz García (RyC), Chantal Valeriani (TU), Daniel Matoz Fernandez (Talento CAM), Francisco Javier Cao (CU), Luis Dinis Vizcaíno (TU), Ricardo Brito López (CU), Juan Pedro García Villaluenga (TU). Giulia Janzen (Postdoc), Horacio Serna (Marie Curie Fellow), José Martín Roca (Postdoc). • Grupo de NANOQUÍMICA FÍSICA: Andrés Guerrero Martínez (CU), Elena Junquera González (CU), Luis González Mac-Dowell (TU), Rubén Ahijado Guzmán (PAD), Lucía Labrador-Páez (PAD), Mónica Muñoz Úbeda (PAD), Helena Gavilán Rubio (RyC). • Grupo de sistemas complejos: coloides, polímeros e interfases: Ramón G. Rubio (CU), Francisco Ortega Gómez (CU), Eduardo Guzmán Solís (TU), Fernando Martínez Pedrero (TU). • Grupos de biofísica: Francisco Monroy Muñoz (CU), Jesús Pérez Gil (CU), Eduardo Enciso Rodriguez (CU), Fernando Accion Salas (TU), Nicolò Caselli (PAD), Macarena Calero Calero (Postdoc), Lara Hernández Moleiro (Postdoc), Diego Herráez Aguilar (TU), Judith Ortega Rodríguez (Postdoc), Antonio Cruz Rodriguez (TU), Olga Cañadas Benito (TU), Mercedes Echaide Torreguitar (TU), Maria Begoña García Alvarez (TU), Cristina Garcia Mouton (PAD), Juranny Michelle Morán Lalangui (PAD), Bárbara Olmedo Lozano (PAD).