MinutePhysics: Natuurkunde in een minuut

Op YouTube kwam ik het kanaal van MinutePhysics tegen. Wekelijks wordt hier in enkele minuten een onderwerp uit de natuurkunde uitgelegd met behulp van leuke tekeningen. Hoewel de onderwerpen misschien strikt genomen alleen maar natuurkundig zijn, hebben genoeg filmpjes ook chemisch tintje. Neem bijvoorbeeld het filmpje hieronder, over hoe Einstein het bestaan van atomen en moleculen afleidde aan de hand van de Brownse beweging van colloïden.

Lees verder MinutePhysics: Natuurkunde in een minuut

Het simuleren van eiwitten kun je zelf met Foldit

Tijdens m’n bachelor heb ik een paar keer wat computersimulaties gedaan. Voor degenen die onbekend zijn met simulaties zal ik in het volgende voorbeeld inzichtelijk maken wat dat inhoudt. Stel je voor dat je met een keu tegen een biljartbal stoot. Als je precies weet hoe zwaar die bal is en hoe hard je stoot, kun je behoorlijk berekenen waar die bal terecht komt. Je kunt hierbij een aanname maken over hoeveel snelheid de biljartbal verliest door het rollen (rolweerstand) en hoeveel tijdens het stoten tegen de rand van de pooltafel. Dit is best lastig om te berekenen, dus wordt de berekening op een computer gedaan: een computersimulatie. Op ieder interessant punt in de tijd wordt er gekeken wat de snelheid van de bal is. Dan worden alle krachten die op de biljartbal werken (rolweerstand, inelastisch botsen) in overweging genomen en er wordt een nieuwe (kleinere) snelheid berekend. Herhaal dit totdat de snelheid van de bal nul is en teken de baan van de bal uit op grafiekpapier. Dit is je eerste, echte simulatie. Als je een beetje handig bent met Excel zou je dit ook prima zelf op de computer kunnen doen. (Als je écht handig bent met computers raad ik je C of Python aan.)

Je kan nu goed zien wanneer computersimulaties handig zijn: zou je nu een heleboel biljartballen op de tafel hebben liggen, dan is dit niet meer redelijk met Excel te doen. Mijn eerste simulatie bestond ook uit een driedimensionale doos met stuiterballen zonder zwaartekracht. Nee, dat is niet helemaal waar. Mijn eerste echte simulatie was drie jaar daarvoor. Ik simuleerde twee puntjes die elkaar (magnetisch) aantrokken, zonder wrijving, zonder zwaartekracht, in twee dimensies. In Excel.

Nu eiwitten. Eiwitten zijn de werkers van alle cellen in alle organismen. Eiwitten zijn verschrikkelijk ingewikkelde dingen. In een cel worden een reeks van aminozuren aan elkaar geregen tot een lange ketting. Die ketting wordt daarna heel specifiek gevouwen en opgepropt. Daarna worden er misschien stukjes vanaf geknipt, andere stukjes van andere kettingen aan geplakt, dán worden er misschien nog wel wat suikers aan geplakt en met een beetje geluk wordt het geheel ook nog eens in een vettige envelop ingepakt om verstuurd te worden. Als het eiwit op de plaats van bestemming is gekomen, wordt het uitgepakt om daar z’n werk te doen. De werking van het eiwit hangt af van de soorten aminozuren waaruit het eiwit opgebouwd is en hoe het eiwit gevouwen.

Structuurformule van alle 20 natuurlijke aminozuren. De aminozuren zijn in deze tabel onderverdeeld naar soort: positief geladen, negatief geladen, polair ongeladen (scheve ladingsverdeling), speciale gevallen (kan bijvoorbeeld zwavelbruggen vormen) en hydrofobe zijketen (‘water-vrezend’). Afbeelding Wikimedia Creative Commons.

Een van de grote vragen in de wetenschap is “Hoe gedraagt een eiwit zich?” Een nog grotere vraag is: “kunnen we voorspellen hoe een eiwit zich gedraagt, als we weten hoe de aminozuur-volgorde is?” En dat is waar de computersimulaties om de hoek komen kijken. Je zou je bijvoorbeeld kunnen afvragen hoe twee eiwitten zich gedragen als ze elkaar tegenkomen. Stel, ze binden zich aan elkaar (“docking“), hoe verandert de stuctuur van die eiwitten dan? Om dit wat inzichtelijker te maken, heb ik twee afbeeldingen voor jullie opgezocht uit m’n persoonlijke archief, van twee eiwitten die aan elkaar gebonden zijn. Het is een beetje lastig om een eiwit weer te geven, want atomen kun je niet zien. Daarnaast hebben de meeste eiwitten geen eigen kleur. De twee meestgebruikte manieren om een eiwit af te beelden heten “ruimtevullend” (links) en “lint” (rechts). De derde “bolletjes-en-stokjes”-weergave is niet zo heel geschikt voor eiwitten, maar wordt wel vaak voor kleinere, organische moleculen gebruikt.

Twee weergaven van twee gebonden eiwitten. Links (ruimtevullend) is het ene eiwit blauw (met het ene gebonden gedeelte paars) en het tweede eiwit bruinig (en het gebonden gedeelte rood). Rechts (lint-weergave) dezelfde twee eiwitten: de ene groen en de andere aqua. Afbeelding © Scheikundejongens

En omdat simulaties van die mooie afbeeldingen geven, heb ik hier nog een gecomputerde plaatjes van een eiwit waar alle drie de soorten weergaven gebruikt zijn voor één en hetzelfde eiwit. Door sommige delen op andere manieren weer te geven — bijvoorbeeld van het bindende gedeelte bolletjes-en-stokjes te gebruiken, en niet-bindende delen lint-weergave — kan een getraind oog enorm veel leren van deze afbeelding.

Een schematische afbeelding van een eiwit waarin alle soorten weergaven gebruikt zijn: lint, ruimtevullend en bal-en-stok. Hier zijn de balletjes van de stokjes weggelaten, maar je zou de aminozuren kunnen herkennen. Afbeelding © Scheikundejongens

Zo. Nu weten we een beetje over simulaties en over eiwitten. Helaas gaat het leven van een wetenschapper niet over rozen. Het simuleren van eiwitten is helemaal niet eenvoudig. Sterker nog, het is een drama: eiwitten in water bewegen de hele tijd. Als er een beetje zout of zuur bij komt, beweegt hij weer anders. En als hij in het ene gedeelte van een cel zit, is hij anders gevouwen dan in een ander gedeelte van een cel. Ook zijn eiwitten veel te groot om “exact” te berekenen hoe ze gevouwen zijn (kwantummechanisch), laat staan dat te berekenen is hoe ze reageren op andere eiwitten.

Wetenschappers zijn al decennia op zoek naar oplossingen voor dat probleem. De eenvoudigste manier is snellere computers kopen. Maar zelfs de grootste en snelste computers op deze aarde zijn nog niet goed genoeg om kleine eiwitten door te rekenen. Wetenschappers moeten wat ze al weten over eiwit-interactie in de simulatie meegeven. In plaats van te berekenen hoe de atomen zich gedragen waaruit het eiwit bestaat, wordt gekeken hoe de aminozuren zich gedragen. De atomen waar de aminozuren uit bestaan, zitten dan vast. Een nog grotere vereenvoudiging is om een aantal aminozuren die achter elkaar zitten, als star te beschouwen. Als een bepaalde reeks aminozuren in een slinger zitten, en die slinger komt voor in een heleboel verschillende eiwitten, dan is het interessant om eens te onderzoeken of die slinger altijd eenzelfde soort functie heeft. Misschien grijpt die slinger wel altijd aan een celwand, of hij houdt water uit de buurt van de bindingsplaats. Of als er een reeks aminozuren een hol buisje vormt, vervoert  het eiwit daar misschien wel iets door. Het is allemaal mogelijk.

Samengevat: eiwitten zijn grote, opgepropte slingers van aminozuren. Om te simuleren hoe eiwitten zich gedragen, wordt bekeken hoe ieder aminozuur zich gedraagt. Aminozuren kunnen ten opzichte van elkaar een beetje bewegen en draaien, maar niet veel. Naast dat twee aminozuren niet op dezelfde plek kunnen zijn, voelen ze elkaar op nog meer manieren. Het is belangrijk om te weten dat er in de natuur 20 verschillende aminozuren zijn. Sommigen zijn een beetje positief of negatief geladen, dus die trekken elkaar aan of stoten elkaar af, net als magneten. Andere aminozuren zijn een klein beetje geladen en kunnen waterstofbruggen met elkaar maken. Eentje bevat een zwavelatoom en kan zwavelbruggen maken. Tot slot zijn een paar aminozuren graag in de buurt van water en anderen niet. Eiwitten zitten meestal in een waterige omgeving (in een cel of in bloed), dus die water-hatende (hydrofoob) aminozuren zullen naar binnen richten en de water-minnende (hydrofiel) aminozuren zullen juist aan de buitenkant van het eiwit zitten.

Zo, nu weten hebben we genoeg voorkennis om perfect te kunnen begrijpen waar Foldit over gaat. Want waar gaat dit verhaal nou heen? Keiharde wetenschap. Sterker nog: zelf keiharde wetenschap beoefenen. Al die computers die de hele tijd eiwitstructuren proberen te berekenen zijn niet zo handig. Ze kosten veel geld, abstracte regels voor het vouwen van eiwitten zijn ingewikkeld en mensen hebben een extreem ontwikkeld ruimtelijk inzicht. Het is een beetje zoals de spellingscontroller op je computer: je tekstverwerker kan je wél vertellen dat “werdt” altijd fout is, maar hij ziet slecht in wanneer een woordkeuze beter kan. Mensen kunnen dat wel.

Foldit is een computerspel waarbij de speler een eiwit zo goed mogelijk moet vouwen. Het spel is gebaseerd op Rosetta@home. De computer berekent hoe goed een vouwing is en geeft aan elke structuur een score mee. Die score is omgekeerd evenredig met de energie van het eiwit. Als je dat een beetje ingewikkelde manier van denken vindt, moet je bedenken dat een hogere score, een betere eiwitvouwing inhoudt. Foldit begint met een serie eenvoudige eiwitten die je laten oefenen met de opbouw van het spel. Eerst krijg je te zien hoe je een eiwit draait, dan mag je hem zelf heen en weer trekken. Je moet erop letten dat een eiwit hydrofobe gedeeltes heeft die liever binnenin zitten, in plaats van naar buiten gekeerd. Later kun je met denkbeeldige elastiekjes bepaalde gedeeltes van eiwitten naar elkaar toe trekken. Al die handelingen zorgen ervoor dat de beste kwaliteiten van de computer samengevoegd worden met de beste kwaliteiten van de gamer. Rekenkracht en inzicht. De perfecte samenwerking.

Maar wacht, er is meer! Ook de gamer zal een heleboel handelingen moeten herhalen. Aan het begin van elke nieuwe eiwit-uitdaging, zal de speler een aantal dezelfde dingen doen: eerst een wiggle, dan een shake (of misschien andersom). Dat zijn dingen die de computer ook best zonder de hulp van de gamer kan doen. Om die standaard-handelingen te automatiseren is er een kookboek-functie in het spel geïmplementeerd, genaamd cookbook. Er kan gekozen worden uit een lange lijst handelingen die in een bepaalde volgorde, automatisch uitgevoerd kunnen worden. Eerst selecteren, een shake en dan een wiggle kan geautomatiseerd worden door: select_all() do_shake() do_global_wiggle(). Er schijnt ook een knoppen-gebaseerd GUI-alternatief voor het scripten te zijn, maar daar heb ik nog niet naar gekeken.

Zo’n succesverhaal is niet compleet zonder een aantal succesvolle publicaties in vooraanstaande tijdschriften: Nature, PNAS, Nature Structural and Molecular Biology en Nature Biotechnology zijn maar een paar voorbeelden. Absoluut geen misselijke score.

Foldit is beschikbaar voor Windows, Mac OS X en Linux (link). Het spel is gratis voor iedereen, er zit een duidelijk wedstrijdelement in, maar het is ook prima in single-player mode te spelen. Er zijn nog enorm veel structuren van eiwitten onbekend, dus er is genoeg te doen. Ik stel voor dat jullie je kerstvakantie lekker vullen met hardcore simulaties van eiwitten en de wetenschap een handje helpen.

Meer informatie:

Kristallen van een lezer

De Scheikundejongens hebben al vaak geschreven over kristallen. Over sneeuwvlokjes, kunst met kristallen, vloeibare kristallen, stiekeme kristallen, en over het zelf groeien van kristallen en wat ons resultaat daarvan was. Eén van onze lezers, Nienke Saanen, heeft ook kristallen gegroeid en stuurde ons onderstaande foto’s.

De kristallen zijn gemaakt van aluin, maar wel met wat speciale ingrediënten. Een aantal van de kristallen is bijvoorbeeld gegroeid op een stukje gips, zoals goed op de foto hierboven te zien is.

Er is ook kleurstof gebruikt om de kristallen een kleurtje te geven: een aluinkristal is normaal gewoon kleurloos. Nienke heeft ons ook een lijstje met de gebruikte kleurstoffen gestuurd, met bijbehorende INCI-nummers, zoals te koop bij Hekserij.

De kristallen van Nienke zijn allemaal enkele centimeters groot. Ze zijn weliswaar niet monokristallijn (d.w.z. een éénkristal, zonder breuken), maar dat maakt ze niet minder indrukwekkend. Heb jij ook mooie kristallen gegroeid? Stuur je foto’s dan op!

Een PWS-ideetje over resistente bacteriën

Zo af en toe krijgen we vragen over een profielwerkstukidee. Ook omdat zoveel bezoekers ons vinden via Google met de zoekwoorden “profielwerkstuk”, “pws” en “scheikunde”, hebben we eens een Profielwerkstukpagina in elkaar gedraaid. Wordt veel bezocht. Deze week kregen we het het volgende mailtje.

Hallo,

Mijn vriendin en ik doen ons PWS over antibiotica resistentie. We willen hier ook graag iets praktisch bij doen, in de vorm van een proefje. Maar op internet hebben we tot nu toe nog niet iets gevonden wat we geschikt vonden. Nu vroegen wij ons af of jullie misschien een idee hebben.

Alvast bedankt!
Groeten Lisa

Na wat nadenken en rondvragen hebben we een lange mail teruggestuurd. Maar, omdat we vinden dat Lisa en haar vriendin zo’n goed idee hebben, willen we ons antwoord ook graag met de rest van de wereld delen. Hieronder de mail die we teruggestuurd hebben, die vooral gaat over veiligheid en het idee achter resistentie. Met een uitgebreid experiment. Enjoy.

Dag Lisa,

Leuk idee! In de eerste instantie dacht ik dacht het nog wel snel gevaarlijk kon worden, maar dat valt mee. Zoals je misschien al achterhaald hebt, zijn er een heleboel bacteriën die niet goed zijn voor mensen. Daarom was je altijd je handen als je naar de wc bent geweest. En als je een willekeurige stam bacteriën (die slecht of onschadelijk zijn voor mensen) resistent maakt, zijn ze mogelijk nóg gevaarlijker.

Een voorbeeld: stel, jullie hebben een petrischaaltje met een vieze E. Coli gevonden. De meeste E. Coli groeit het beste bij 37ºC (lichaamstemperatuur), en zal het niet zo goed overleven bij 49ºC. Wat jullie zouden kúnnen doen (maar wat ik afraad zonder dat jullie je laten begeleiden) is die bacteriën een tijdje laten groeien bij 38ºC, dan een tijdje bij 39ºC, enz… totdat je bij de 49ºC bent. Dit kan zo een week of wat duren. Wat nu gevaarlijk kán zijn, is dat als deze bacterie je ziek maakt, je hem nu sterker aan het maken bent, waardoor hij je nóg beter ziek kan maken. Ook kan hij in meer soorten milieus overleven, wat overdracht van de bacterie vereenvoudigt.

Maar goed, ik neem aan dat jullie slimme meiden zijn, en jullie je goed laten begeleiden. Wat ik denk, dat jullie goed moeten begrijpen, is het volgende: bacteriën hebben een bepaalde optimale set groeiomstandigheden. Een optimale temperatuur, pH, zoutconcentratie van de omgeving, en soort en hoeveelheid voedingsbodem. Als de bacteriën in een ander milieu komen, gaan ze meestal dood of stoppen ze met groeien. Het fijne aan bacteriën is dat ze zich snel vermenigvuldigen. Waar een generatie mensen ongeveer 20–35 jaar duurt (de meeste mensen krijgen dan kinderen), is dat bij bacteriën meestal minuten of uren (afhankelijk van de bacteriesoort en milieu). Belangrijkste factoren zijn hoeveelheid voeding en temperatuur.

En dan komen we nu eindelijk bij een antwoord op jullie vraag: wat jullie kúnnen doen (maar waarvan ik de gevaren slecht kan inschatten) is dat jullie wat bacteriën oogsten (haal een wattenstaafje langs een vieze wc-bril, een tweede langs je wangslijmvlies, een derde langs wat aarde, enz. In Yakult zitten ook superspeciale bacteriën) en die proberen te laten groeien in een petrischaaltje. Als jullie dat onder de knie hebben (en geen last hebben van schimmels in jullie petrischaaltjes), kunnen jullie gaan kijken waar ze dood van gaan. In het voorbeeld hierboven noemde ik al temperatuur, maar je kan ook denken aan bacteriedodende zeep (Dettol), Alcohol, heel hard tegen ze schreeuwen, weet ik veel. Stap drie is dan hele kleine hoeveelheden zeep aan de bacteriën geven, zodat ze tijd hebben om eraan te wennen. Ik laat het aan jullie over hoe dat wennen werkt. Daar kun je een prima hoofdstuk van je PWS over schrijven (hint hint hint!). Als de bacteriën gewend zijn, kun je de dosis (temperatuur, hoeveelheid zeep, enz) opvoeren, totdat je bij de dosis aankomt waarbij ze voorheen dood gingen. Als ze dan nog leven, hebben jullie met veel succes een bacteriestam resistent gemaakt.

Wat ik aan jullie overlaat is waarop je bacteriën het beste kan laten groeien (gewoon in een petrischaaltje gooien werkt niet), hoe je kan controleren hoeveel ze gegroeid zijn, en hoe het mechanisme van resistentie in elkaar zit. Ow, en vergeet ook niet uit te leggen wat bacteriën zijn en hoe ze zich voortplanten.

Misschien dat ik nu al een veel te groot gedeelte van jullie profielwerkstuk voor heb gekauwd, maar ik denk ook dat het experiment dat ik hierboven beschrijf misschien wel een grote uitdaging is voor leerlingen van een middelbare school. Ik denk wel dat als jullie dit uitgebreid uitwerken, dat jullie docent trots op jullie zal zijn. Laat het me weten als jullie over een jaar een cijfer hebben. Vind ik leuk.

Als jullie nog meer hulp nodig hebben, raad ik jullie aan om contact te zoeken met een universiteit in de buurt (of een hoge school). Die hebben meestal wel professionele hulp voor bij profielwerkstukken. Bijna elke universiteit heeft ook wel een gewoon lab waar jullie onder assistentie wat proeven zouden kunnen uitvoeren. Dan gebeurt alles in ieder geval wel veilig.

Zet’m op en ik hoor graag nog eens van jullie.

Groeten,

de Scheikundejongens

De zaak van de zwavelzuurcentrale — door John Cleese

Ach ja, de verborgen schatten van YouTube. Hier hebben we er eentje. Een schoolvideo uit de jaren 1976 over zwavelzuur, voorzien van commentaar door John Cleese. Het filmpje is geupload in mei dit jaar met de vriendelijke toestemming van Akzo Nobel / ICI.

In het Engelstalige filmpje volgen we een typisch Britse detective die veel referenties maakt naar Sherlock Holmes en diens auteur. De detective heeft natuurlijk een hond bij zich want tegen jezelf praten is ook maar zozo. Die lieve schoolkindertjes moesten in de jaren ’70 natuurlijk al die LSD-verleidingen weerstaan, dus een rolmodel dat hardop in zichzelf praat zou fout zijn. Zelf vind ik het filmpje erg leuk, maar dat ligt natuurlijk vooral aan de commentator en zijn ‘stiekeme’ gastrol in het avontuur.

Disclaimer: ik heb geen technische scheikunde gestudeerd dus ik heb werkelijk geen idee hoe verouderd de systemen zijn die uitgelegd worden. Maar, het YouTube-bijschrift stelt met olijke zekerheid dat het filmpje nog altijd op scholen in het Verenigd Koninkrijk vertoond wordt. Toegegeven, het is een erg goed verhaal, maar ik zou me kunnen voorstellen dat er scholieren zijn die de veroudering van het filmpje op zouden merken. Vooral als de docent hiervoor speciaal de VHS recorder af moest stoffen.

Bonusvideo over Oleum hier. Gemaakt door een amateuristische sukkel omdat hij verkeerde handschoenen draagt, z’n ballonpipet ondersteboven houdt en hij in z’n eentje in een lab (of nog erger, thuis?) werkt.

Tip via Sciencebase