Stel jezelf eens de vraag:
wat voel je wanneer je de woorden ‘organische chemie’ hoort?
Wat komt er in je op?
Bijna elke universiteit biedt een cursus aan
die Organische Chemie heet.
Het is een slopende, zware inleiding op het onderwerp,
een vloed aan informatie die studenten overweldigt
en je moet ervoor slagen als je arts, tandarts
of dierenarts wil worden.
Daarom zien zo veel studenten deze wetenschap als dit ...
als een obstakel op hun pad,
ze vrezen en haten het
en ze noemen het een sneuvelvak.
Wat een wreed vak, om jongeren uit te wieden.
Die perceptie verspreidde zich al lang geleden tot buiten de universiteiten.
Er is een universele bezorgdheid over deze twee woorden.
Ik hou toevallig van deze wetenschap
en ik denk dat de positie waarin we ze hebben geplaatst
onvergeeflijk is.
Het is niet goed voor de wetenschap en het is niet goed voor de samenleving.
En ik denk niet dat dat hoeft.
Ik bedoel niet dat deze cursus gemakkelijker zou moeten zijn.
Helemaal niet.
Maar jouw idee van deze twee woorden
mag niet stoelen op de ervaringen van studenten geneeskunde
die een zeer enerverende tijd in hun leven doormaken.
Daarom sta ik hier vandaag, omdat ik geloof
dat basiskennis van organische chemie waardevol is
en ik denk dat ze voor iedereen toegankelijk kan worden gemaakt.
Dat wil ik jullie vandaag bewijzen.
Mag het?
Publiek: Jaa!
Jakob Magolan: Oké, we gaan ervoor.
(Gelach)
Hier heb ik een al te dure EpiPen.
Het geneesmiddel erin heet epinefrine.
Epinefrine kan mijn hartslag opnieuw opstarten
of een levensbedreigende allergische reactie stoppen.
Een injectie hier zal het doen.
Het start de vecht-of-vlucht machinerie in mijn lichaam op.
Hartslag en bloeddruk stijgen en bloed raast naar mijn spieren.
Mijn pupillen verwijden. Ik voel een golf van kracht.
Epinefrine maakte voor veel mensen het verschil uit tussen leven en dood.
Dit is als een klein wonder dat je in je vingers kunt houden.
Hier is de chemische structuur van epinefrine.
Dit is hoe organische chemie eruit ziet.
Het lijkt op lijnen en letters ...
Zonder betekenis voor de meeste mensen.
Ik wil jullie graag tonen wat ik in dit beeld zie.
Ik zie een fysiek object
met diepte en draaiende delen,
en het beweegt.
Dit noemen we een verbinding of een molecuul.
Het zijn 26 atomen.
Ze zijn aan elkaar gehecht door atoombindingen.
De unieke opstelling van deze atomen geeft epinefrine zijn identiteit,
maar niemand heeft er ooit een echt gezien,
want ze zijn erg klein.
Dus gaan we dit een artistieke impressie noemen
en ik wil jullie uitleggen hoe klein dit is.
Hierin zit minder dan een halve milligram ervan opgelost in water.
Ongeveer zoveel als een zandkorrel.
Hierin zitten één triljoen moleculen epinefrine.
Dat zijn 18 nullen.
Dat aantal is moeilijk te visualiseren.
Zeven miljard mensen op deze planeet?
Misschien 400 miljard sterren in ons melkwegstelsel?
Je komt niet eens in de buurt.
Om ongeveer tot dat aantal te komen,
zou je elke zandkorrel
van elk strand, van alle oceanen en meren moeten nemen
en ze dan allemaal inkrimpen, zodat ze hierin passen.
Epinefrine is zo klein dat we het nooit zullen zien,
door geen enkele microscoop ooit,
maar we weten hoe het eruit ziet,
omdat het zich toont via een aantal geavanceerde machines
met mooie namen
zoals ‘nucleaire magnetische resonantie spectrometers’.
Maar zichtbaar of niet, we kennen dit molecuul heel goed.
Het bevat vier verschillende atoomsoorten:
waterstof, koolstof, zuurstof en stikstof.
Dit zijn de kleuren die we er meestal voor gebruiken.
Alles in ons universum is gemaakt van kleine bolletjes
die we atomen noemen.
Er zijn ongeveer honderd van deze basisingrediënten,
allemaal gemaakt van drie nog kleinere deeltjes:
protonen, neutronen, elektronen.
Wij rangschikken die atomen in deze vertrouwde tabel.
We geven ze elk een naam en een nummer.
Maar het gekende leven heeft ze niet allemaal nodig,
slechts deze kleinere deelverzameling.
En vier atomen in het bijzonder onderscheiden zich van de rest
als de belangrijkste bouwstenen van het leven.
Het zijn dezelfde als die in epinefrine:
waterstof, koolstof, stikstof en zuurstof.
Wat ik nu ga zeggen, is het belangrijkste onderdeel.
Wanneer deze atomen zich verbinden tot moleculen
volgen ze een aantal regels.
Waterstof maakt één binding,
zuurstof altijd twee,
stikstof drie
en koolstof vier.
Dat is het.
HONC - één, twee, drie, vier.
Als je tot vier kunt tellen en het woord ‘honk’ fout kunt spellen,
ga je je dit voor de rest van je leven herinneren.
(Gelach)
Nu heb ik hier vier kommen met deze ingrediënten.
We kunnen ze gebruiken om moleculen te bouwen.
Laten we beginnen met epinefrine.
Nu bestaan deze bindingen tussen atomen uit elektronen,
waarmee ze als armen naar hun buren reiken om ze vast te houden,
twee elektronen per binding als een 'handdruk'
en zoals een handdruk zijn ze niet blijvend.
Ze kunnen loslaten en een ander grijpen.
Dat is een chemische reactie
waarbij atomen wisselen van partners en nieuwe moleculen maken.
De ruggengraat van epinefrine bestaat vooral uit koolstofatomen
en dat is vaak zo.
Koolstof is het favoriete structurele bouwmateriaal van het leven,
want het maakt veel handdrukken
met precies de juiste grijpkracht.
Daarom definiëren we de organische chemie als de studie van koolstofmoleculen.
Als we de kleinste moleculen maken die we kunnen bedenken en die onze regels volgen,
benadrukken ze onze regels, en ze hebben bekende namen:
water, ammoniak en methaan, H2O, NH3 en CH4.
De woorden ‘waterstof’, ‘zuurstof’ en ‘stikstof’ --
we gebruiken dezelfde namen
voor de drie moleculen met elk twee atomen.
Zij volgen die regels ook,
want ze hebben één, twee en drie bindingen tussen hen.
Daarom is zuurstof O2.
Ik kan je verbranding laten zien.
Hier is koolstofdioxide, CO2.
Laten we erboven water en zuurstof plaatsen
en ernaast enkele ontvlambare brandstoffen.
Die bevatten alleen waterstof en koolstof.
Daarom heten ze koolwaterstoffen.
We zijn erg creatief.
(Gelach)
Als ze tegen zuurstofmoleculen botsen,
zoals in je motor of je barbecue,
zetten ze energie vrij en herschikken ze zich.
Elke koolstof komt in het centrum van een CO2-molecuul te zitten,
tussen twee zuurstofatomen.
Alle waterstofatomen eindigen als delen van water.
Iedereen volgt de regels.
Ze zijn niet optioneel,
ook niet voor grotere moleculen
zoals deze drie.
Dit is onze favoriete vitamine
naast onze favoriete drug.
(Gelach)
Morfine is een van de belangrijkste verhalen in de medische geschiedenis.
Het was de eerste triomf van de geneeskunde op fysieke pijn.
Elke molecule heeft zijn verhaal
en ze zijn allemaal gepubliceerd.
Wetenschappers beschrijven ze en andere wetenschappers lezen ze.
Daarom die handige voorstellingen om dit snel te doen op papier
en ik moet je leren hoe dat moet.
We leggen epinefrine plat op een pagina
en vervangen alle bollen door eenvoudige letters.
Dan worden de bindingen, die in het vlak van de pagina liggen, rechte lijnen
en de bindingen naar boven en naar onder,
worden kleine driehoeken,
ofwel vol, ofwel gearceerd om diepte aan te geven.
Koolstoffen tekenen we niet.
We besparen tijd door ze te verbergen.
Ze worden voorgesteld door de hoeken tussen de bindingen,
en we verstoppen ook elke waterstof die aan een koolstofatoom is gebonden.
We weten dat ze er zijn
als koolstof minder dan vier bindingen heeft.
Het laatste dat we aanpakken zijn de bindingen tussen O en H en N en H.
Die laten we weg om het schoner te maken,
en dat is alles wat er is.
Dat is de professionele manier om moleculen voor te stellen.
Dat is wat je ziet op Wikipediapagina's.
Het vraagt wat oefening, maar ik denk dat iedereen hier dat zou kunnen.
Maar voor vandaag is dit epinefrine.
Ook wel adrenaline genoemd. Ze zijn één en hetzelfde.
Het ontstaat in de bijnieren.
Dit molecuul zit nu in je lichaam.
Het is een natuurlijk molecuul.
Deze EpiPen geeft je er even één triljoen meer van.
(Gelach)
We kunnen epinefrine extraheren
uit de bijnieren van schapen en runderen,
maar daar komt dit spul niet vandaan.
We maken dit epinefrine in een fabriek
uit kleinere moleculen die meestal afkomstig zijn uit aardolie.
Dit is 100% synthetisch.
En dat woord ‘synthetisch’ maakt sommigen ongemakkelijk.
Het is niet zoals het woord ‘natuurlijk’, dat veilig aanvoelt.
Maar deze twee moleculen kunnen niet van elkaar worden onderscheiden.
We hebben het niet over twee auto's die van een lopende band komen.
Een auto kan een kras hebben,
maar een atoom kan je niet krassen.
Deze twee zijn identiek op een surreële, bijna wiskundige wijze.
Op deze atomaire schaal raakt wiskunde vrijwel de werkelijkheid.
En een molecuul van epinefrine ...
heeft geen herinnering aan zijn herkomst.
Het is gewoon wat het is,
en als je het eenmaal hebt,
doen de woorden ‘natuurlijk’ en ‘synthetisch’ er niet toe.
De natuur synthetiseert dit molecuul net als wij,
behalve dat de natuur het beter kan dan wij.
Voordat er sprake was van leven op aarde,
waren alle moleculen klein en eenvoudig:
koolstofdioxide, water, stikstof,
gewoon simpele dingen.
Het ontstaan van het leven veranderde dat.
Leven bracht biosynthetische fabrieken die door zonlicht worden aangedreven,
en in deze fabrieken botsen kleine moleculen tegen elkaar
en worden ze grote moleculen: koolhydraten, eiwitten, nucleïnezuren,
allerlei spectaculaire creaties.
De natuur is de originele organische chemicus
en haar werk vult ook onze lucht met zuurstofgas dat we inademen,
dat is hoge-energie zuurstof.
Al deze moleculen zitten vol energie van de zon.
Ze slaan ze op als batterijen.
De natuur is dus gemaakt van chemische stoffen.
Helpen jullie mij het woord ‘chemische stof’ terug te winnen?
Want het is ons ontstolen.
Het betekent niet giftig of schadelijk
en het betekent ook niet door de mens gemaakt of onnatuurlijk.
Het betekent gewoon ‘stof’, oké?
(Gelach)
Een klomp houtskool zonder chemicaliën bestaat niet.
Dat is belachelijk.
(Gelach)
En ik wil nog iets zeggen.
Het woord ‘natuurlijk’ is niet hetzelfde als ‘veilig’,
dat weten jullie.
Tal van chemicaliën uit de natuur zijn zeer giftig
en anderen zijn lekker
en sommige zijn beide ...
(Gelach)
toxisch en lekker.
De enige manier om uit te maken of iets schadelijk is,
is het te testen,
en dan bedoel ik niet door jullie.
Professionele toxicologen: ze bestaan,
ze zijn goed opgeleid
en je moet ze vertrouwen zoals ik dat doe.
De moleculen van de natuur zijn overal,
inclusief degene die zijn afgebroken
tot de zwarte mengsels die we petroleum noemen.
We zuiveren deze moleculen.
Er is niets onnatuurlijks aan.
We zuiveren ze.
We zijn ervan afhankelijk voor onze energie,
wat betekent dat elk van de C-atomen wordt omgezet tot CO2.
Dat is een broeikasgas dat ons klimaat verstoort.
Misschien helpt kennis van die chemie die realiteit makkelijker te aanvaarden
voor sommigen, ik weet het niet,
maar deze moleculen zijn niet enkel fossiele brandstoffen.
Ze zijn ook de goedkoopst beschikbare grondstoffen
voor iets dat we synthese noemen.
We gebruiken ze als LEGO-blokjes.
We leerden hoe ze met grote precisie te verbinden of uit elkaar te halen.
Ik heb dat zelf vaak gedaan
en ik vind het nog steeds verbazingwekkend dat het kan.
Wat wij doen is net zoiets als het samenstellen van LEGO
door dozen ervan in wasmachines te gooien,
maar het werkt.
We kunnen exacte kopieën maken van de natuurlijke moleculen,
zoals epinefrine,
of we kunnen eigen creaties maken, zoals deze twee.
Een verzacht de symptomen van multiple sclerose.
De andere geneest een soort bloedkanker die wij T-cel lymfoom noemen.
Een molecuul van de juiste grootte en vorm is als een sleutel in een slot.
Wanneer het past, interfereert het met de chemie van een ziekte.
Zo werken medicijnen.
Natuurlijke of synthetische,
het zijn allemaal maar moleculen die precies in iets belangrijks passen.
Maar de natuur kan het veel beter dan wij,
dus de hare zijn indrukwekkender dan de onze,
zoals deze hier.
Dit heet vancomycine.
De natuur gaf dit indrukwekkende beest twee chlooratomen,
net een paar oorbellen.
We vonden vancomycine in 1953 in een modderpoel in een jungle in Borneo.
Het wordt gemaakt door een bacterie.
We kunnen het niet kostenefficiënt synthetiseren in een lab.
Te ingewikkeld voor ons, maar we kunnen het oogsten uit de natuur,
en dat doen we, want het is een van onze meest krachtige antibiotica.
Elke dag vermeldt onze literatuur nieuwe moleculen.
We maken ze of we vinden ze in alle uithoeken van deze planeet.
Daar komen de geneesmiddelen vandaan
en daarom hebben artsen geweldige krachten ...
(Gelach)
om dodelijke infecties en al het andere te genezen.
Vandaag is de dokter als een ridder in een schitterend harnas.
Ze leveren hun gevechten met moed en vastberadenheid,
maar ook met goed materiaal.
Vergeet dus de rol van de smid niet in dit beeld,
want zonder de smid zou het er wat anders uitzien ...
(Gelach)
Maar deze wetenschap omvat meer dan geneeskunde.
Het is olie, oplosmiddelen, aroma's, textiel, alle kunststoffen,
de kussens waar je nu op zit --
ze zijn allemaal vervaardigd, en ze zijn vooral koolstof,
dus dat maakt het allemaal organische chemie.
Dit is een rijke wetenschap.
Ik liet vandaag een stuk weg:
fosfor en zwavel en andere atomen,
en waarom ze zich allemaal zo verbinden,
en symmetrie
en niet-bindende elektronen,
en atomen met lading,
en reacties en hun mechanismen, en het gaat maar door en door.
Synthese aanleren vergt veel tijd.
Maar ik ben hier niet om jullie organische chemie te leren --
ik wil ze alleen maar laten zien,
met heel veel hulp van een jonge man, Weston Durland genaamd.
Jullie hebben hem al gezien.
Hij is een student in de chemie,
en toevallig ook vrij goed in computergraphics.
(Gelach)
Weston ontwierp al die bewegende moleculen
die je vandaag zag.
Hij en ik wilden door het gebruik van graphics als deze
iemand helpen praten over deze ingewikkelde wetenschap.
Maar ons belangrijkste doel was gewoon laten zien
dat organische chemie niet iets is om bang voor te zijn.
Het is in wezen een venster
waardoor de schoonheid van de natuurlijke wereld
beter tot zijn recht komt.
Dank je.
(Applaus)