Alla inlägg av Henrik

Doktorstuderande i programmet for kemi och molekylära vetenskaper vid Helsingfors universitet.

Nobelpriset för slarv


Slutet av september är här vilket betyder att tillkännagivandena av de olika nobelpriserna ligger precis kring hörnet. Från och med nästa vecka (2.-9.10.2023), börjandes från nobelpriset i fysiologi eller medicin, kommer vi få ta del av genialiska upptäckter gjorda av världens forskningselit. För att bli del av denna elit krävs ofta en livstids erfarenhet och tiotals år inom forskningsväsendet. Om ingen annan, så förstår dessa garvade forskare att det inte alltid kommer gå riktigt som man tänkt sig i labbet. Därför är det mycket viktigt att lyssna och ta in sagan som experimentet berättar i stället för att kasta bort kolven när lösningen i den blir gul i stället för blå som den borde bli. Det finns en stor mängd forskare i världen som har just denna förmåga att tolka avvikelser, och det är mycket sannolikt att någon av dessa framstående forskare kommer bli belönad för sin berättarkonst. Själv väntar jag på dessa tillkännagivanden, speciellt priset för kemi (bild 1), med spänning och förväntning. För att få er på samma stämningsfrekvens tänkte jag berätta om några misstag som ändrat på världen och belönat forskare med nobelpris.

Bild 1. Förra årets (2022) nobelpris gick till Bertozzi, Meldal och Sharpless.  I bilden ser vi resultat av Carolyn Bertozzis ”click”-reaktion, som här anpassats till ett biologiskt system för att markera glykaner med en fluorescerande markör. Bilden är från Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2007) 104:16793–16797.

Wilhelm Röntgen var en tysk fysiker som först studerade gasers specifika värmekapacitet och kristallers värmeledningsförmåga. Senare övergick han till att studera ett fenomen där elström leds genom gaser vid lågt tryck. Fenomenet var i sig inte okänt och en mängd forskare hade studerat fenomenet före honom, bland annat William Crookes, som uppfann Crookesröret. Crookes och andra forskare använde ifrågavarande rör för att studera strålning och luminescens. Crookes märkte i ett experiment med fotografiska plåtar, att plåtarna blev dimmiga, men bekymrade sig inte med att undersöka orsaken. Även en forskare vid namn Philipp Lenard märkte att en fotografisk plåt fluorescerade i närheten av röret, men inte han heller undersökte denna orsak. Däremot var Röntgens sinne snäppet skarpare. Röntgen omslöt Crookesröret med en tjock svart kartong för att utesluta allt ljus, och märkte hur en liknande fotografisk plåt började lysa på långt avstånd. Dessutom märkte han via projektionen på den fotografiska plåten hur vissa objekt, bland annat hans frus hand (bild 2), hade olika transparens till strålningen. Röntgen förstod att detta måste handla om en ny sorts strålning. Ingen av er kan säkert gissa vad denna nyfunna strålning kom att heta!

Bild 2. Röntgenbild av Wilhelm Röntgens frus hand. Från Wikimedia Commons (Wellcome Images) Augusti 2023. Lisens CC BY 4.0.

Även Alexander Fleming var en forskare med skarpt sinne, dock var han lite slarvig emellanåt. Sommaren 1928, då Fleming arbetade med influensakulturer, glömde han skydda sina inokulerade plattor före sitt sommarlov. När Fleming återvände från semestern, märkte han att kulturerna hade kontaminerats med mögel. Detta var ju lite synd för experimentets del, men samtidigt gjorde han en världsändrande observation: han märkte att området kring mögelväxten var helt fritt från stafylokocker (bild 3). Fleming drog slutsatsen att möglet bildar en substans som är giftigt för stafylokockerna och kallade denna antibiotika för penicillin. Denna skarpa observation, eller från en annan synvinkel slarv, belönades med nobelpriset i fysiologi eller medicin 1945.

Bild 3. Moderna antibiotika testas med metoder som tar inspiration från Flemings misstag. Bilden är från Wikipedia (Lisens Public domain)

Ibland kan fortsatta studier av något avvikande även hindras av ett skarpt sinne. Detta var fallet för Louis Claude Cadet de Gassicourt, en fransk kemist som isolerade den första organometalliska föreningen, kakodyl, så tidigt som 1757. Även syntesen av kakodyl var ett misstag, men på grund av den starkt kvävande vitlökslukten som fäste sig vid allt tänkbart, ville Cadet inte undersöka substansen. Med eftertanke var detta också ett vist beslut, eftersom arsenikförgiftning kan ha digra följder. Dessutom skulle han i ett så tidigt skede av vetenskapens historia inte ha haft tillgång till metoder för att karakterisera denna förening, och därmed skulle inte ens en sylvass observationsförmåga ha varit tillräckligt.

Följden var att organometallisk kemi såg världens ljus först kring det tjugonde århundrandet i och med syntesen och karakteriseringen av Zeises salt. Efter detta gjordes många viktiga upptäckter relaterade till organometallisk kemi, som senare belönats med flertalet nobelpris. Bland dessa finner vi grignardreaktionen som de flesta kemister utfört under sin karriär, och Ziegler-Natta katalysatorer som används för att framställa den mest använda plasten polyeten. Detta betyder att varje gång du kommer hem från Alepan med plastpåse i hand, så bär du hem resultatet av ett nobelpris.

Från alla dessa exempel ser vi att flit inte alltid belönas, utan ibland är det ett skarpt sinne och rena slumpen som avgör. Som student med kalendern full av kurser och sitsar kan det vara svårt att hållas skarp, även efter flera muggar kaffe. Just detta kan ändå belöna dig, dock får du nog vänta på ditt nobelpris många år ännu. Oberoende kvarstår frågan: Är du tillräckligt slarvig för att förtjäna ett nobelpris? Detta får alla timmar av prokrastinering i kafferummet bestämma.

Källor

Serendipity, Discovery, and the Nobel Prizes in Science, Brian J. Miller 1998, Vanderbilt, hämtat från https://www.vanderbilt.edu/AnS/physics/brau/H182/Term%20Papers/Brian%20Miller.html, september 2023

Wilhelm Conrad Röntgen Biographical, NobelPrize.org, hämtat från https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1901/rontgen/biographical/, september 2023

Definition, Importance and History of Organometallics, LibreTexts Chemistry, hämtat från https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Inorganic_Chemistry/Supplemental_Modules_and_Websites_(Inorganic_Chemistry)/Advanced_Inorganic_Chemistry_(Wikibook)/01%3A_Chapters/1.18%3A_Definition_Importance_and_History_of_Organometallics, september 2023

Cadet’s Fuming Arsenical Liquid and the Cacodyl Compounds of Bunsen, Seyferth, Organometallics 2001, 20, 8, 1488–1498

Serendipity and Scientific Discovery, Bosenman, Journal of Creative Behavior 1988, 22, 2, 132-138

En sammanfattning av biokemin bakom ölbryggning och hur du själv kan brygga en perfekt öl

Vi börjar med att kolla på baksidan av en burk Sandels. Där hittar vi en ingrediensförteckning som berättar att burken innehåller vatten, kornmalt, kornstärkelse och humle.[1] Tillsammans med jäst är dessa de viktigaste ingredienserna i vilken som helst bryggprocess. Dock kan råvarorna skilja sig märkbart från varandra: Malten behöver inte endast bestå av kornmalt, utan kan också bestå av flera sorters sädesslag, t.ex. vete. Detta beror på vilken stil man siktar på och hurdan färg man vill ha i slutprodukten. Humlesorten är ytterst viktig vad angår slutproduktens smak. Vattnets egenskaper har också en viktig inverkan, dock är justering av vattnets saltnivåer inget man borde fundera på som nybörjare. Sist men absolut inte minst, bryggjästen Saccharomyces cerevisiae. Den mest framstående reaktionen som bryggjästen utför är då den metaboliserar enkla sockerarter till alkohol – främst etanol – och koldioxid. Utöver detta bildas många sidoprodukter. Beroende på sorten kan jästen producera väldoftande och fruktiga estrar (framstående i belgiska ölsorter) eller fenoler som ger smak och doft av kryddnejlika (vanligt hos tyska ölsorter).

Före man börjar blanda och koka är det viktigt att tillgodose utrustningens renhet. Det finns få ölnjutare som uppskattar smaken av svavel, smör, mögel och använda tepåsar. Genom att hålla redskapen rena kan dessa smaker undvikas. Renhet borde vara alla bryggares högsta prioritet, och det är enkelt att märka ett uppsving i kvaliteten om man investerar i rengöringsprodukter. Å andra sidan är det enkelt att förstöra hela satsen med slarvig rengöring.

Den traditionella bryggprocessen börjar från råvarorna malt och vatten. Malt framställs genom mältning av sädeskorn, vilket innebär att man låter sädeskorn gro i fuktiga förhållanden. På detta sätt görs näringen i frövitan (bild 1) mer tillgänglig för jäsningsprocessen, till vilken vi kommer återkomma senare. Vid mältning frigörs enzymer från aleuronskiktet, och stärkelsen och proteinerna i frövitan börjar konverteras till enklare sockerarter, aminosyror, och lipider, som nu blir tillgängliga för grodden. Om man låter sädeskornet fortsätta gro, får man en ny planta. Detta är inte önskvärt, eftersom man vill använda resurserna som näring till bryggjästen, och därför avlägsnas allt vatten från fröet genom torkning så att groddens framfart avstannar. Ofta rostas också malten, där flera unika smaker (bl.a. kola och nöt) kan uppstå som resultat av olika Maillardreaktioner.

BILD 1: Enkelt schema som illustrerar en kornkärnas anatomi.

Av krossad malt framställs vört, med andra ord sockerlösningen som användas vid jäsning. Först innehåller malten främst stärkelse, som inte kan användas för jäsning med vanlig bryggjäst. Uppvärmning av malten i vattenlösning aktiverar däremot flera enzymer: Här kommer enzymerna α- och β-amylas in i bilden. Enzymerna spjälkar stärkelsen till enklare sockerarter som kan jäsas av bryggjästen. Enzymerna har olika optimumområden vid olika pH-värden och temperaturer, och därmed kan man kontrollera vilka sorters socker som hamnar i vörten. I bild 2 har ett diagram skissats för att illustrera de olika enzymernas funktionsområden. α-Amylas är aktivt vid högre temperaturer och pH-värden, och producerar mera svårjästa sockerarter, medan β-amylasets optimumområde ligger vid lägre temperatur och pH, och producerar enklare sockerarter. På detta sätt är det möjligt att kontrollera sockerarterna och följaktligen slutproduktens smak.

BILD 2: Förenklat diagram över olika enzymers typiska funktionsområden (temperatur och pH), anpassat från ”How to Brew”[2]. Vid gelatiniseringen (också svällning) bryts de intermolekylära bindningarna mellan stärkelsemolekylerna

Efter framställningen av vört tillsätts humlen under kokning, vilket ger ölen dess beska. Egenskapen härstammar främst från humuloner, eller α-syror, vilka genom isomerisering (bild 3) konverteras till iso-humuloner. Här inverkar också oxideringen av lupuloner, eller β-syror, på beskheten, men till en mindre grad. Själva humlearomen beror på humlesorten, och uppstår genom ett komplicerat samspel av olika eteriska oljor.

BILD 3: Isomerisering av α-syror bidrar till ölens beska[3].

Nu är ölen nästan färdig, men två ingredienser fattas fortfarande: alkoholer och bubblor. Dessa ingredienser förses av jästen Saccharomyces cerevisiae, vars namn betyder ”ölsockersvamp”. Denna encelliga organism utnyttjar sockerarterna i vörten för att föröka sig asexuellt via knoppning och bildar alkoholer och koldioxid (bubblor) som biprodukter. Generellt förbrukas de enklaste sockerarterna först (bild 4), det vill säga monosackariderna, och stegvis övergår jästen till att utnyttja mer komplexa sockerarter som maltos (huvudbeståndsdelen i vört, en disackarid), maltotrios (trisackarid), och dextriner (oligosackarider, fermenteras inte av vanlig bryggjäst).

BILD 4: Generellt börjar jästen med att utnyttja enkla sockerarter och förflyttar sig stegvis till mera komplexa socker

Jästens roll inom bryggning har inte alltid varit känd. Enligt den tyska renhetslagen för ölbryggning (tyska: Reinheitsgebot) som fastställdes 1516 av en grupp bayerska bryggherrar, var de enda tillåtna ingredienserna malt, humle, och vatten. Jäsningen ansågs av dåtidens vetenskapare vara en reaktion som katalyseras av luften, och att jästen var en biprodukt som bildades vid jäsningen. Trots att jästens centrala roll inte då var känd, var bagare och bryggare medvetna om att det var viktigt att överföra en liten mängd jäst från föregående sats till nästa.

För att sammanfatta den traditionella bryggprocessen har jag sammanställt ett enkelt schema (bild 5). Den slutliga smakprofilen och utseendet varierar med olika sorters malt, humle och jäst. Tack vare väl utvecklade recept som är enkla att följa är det inte nödvändigt att förstå processerna i detalj, det räcker med att känna igen de enskilda stegen och deras syften.

BILD 5: Sammanfattande schema över bryggprocessen.

Oberoende om du är biokemist eller inte, är ölbryggning en hobby som kan vara otroligt givande då man sätter sig in i den. Intresset kräver inte att du tömmer ditt besparingskonto, även om det nog finns utrustning som förutsätter det. Det jag anser är viktigast är att bli beläst inom ämnet, och därför kan du också komma billigt undan om du först bekantar dig med teori och metoder. Internet är som alltid en god informationskälla, men det kan vara svårt att hitta pålitlig information bland alla myriader. Själv började jag med John Palmers bok ”How to Brew”[2] (bild 6), som rekommenderats av många andra hemmabryggare. Boken har agerat som huvudsaklig källa för inlägget.

BILD 6: Boken “How to Brew” är en god källa för vem som helst som vill brygga sin egen öl.

Att brygga egen öl kan vara enkelt och kräver inte nödvändigtvis mycket utrymme eller sofistikerad utrustning. Vill man göra det enklare för sig själv kan man använda färdiga maltextrakt. Detta innebär dock att du hoppar över det som jag själv anser vara det intressantaste steget, nämligen att framställa egen vört. Enklare betyder inte nödvändigtvis alltid sämre, och även mer erfarna bryggare använder sig av extrakt.

I detta inlägg har ölbryggningens kemiska och biokemiska grunder diskuterats, och processen från grundläggande råvaror till slutlig produkt har beskrivits. Utöver skapandet av unika smakupplevelser kan denna kunskap också utnyttjas till industriella syften. Med biobränslens framfart, i synnerhet bioetanol, har det blivit alltmer väsentligt att kunna utvinna jäsbar biomassa ur bioavfall. Denna kunskap är möjligen en av de avgörande faktorerna i framtida framställandet av hållbara bränslen.

Källor

[1] Foodie.fi. https://www.foodie.fi/ (06.09.2021).
[2] a) Palmer, J. How to Brew, 4:e upplagan; Brewers Publications, CO; 2017. b) Palmer, J. How to Brew, Everything You Need to Know to Brew Beer Right the First Time. http://howtobrew.com/ (06.09.2021). Hemsida med kostnadsfri version av den första utgåvan.
[3] Urban, J.; Dahlberg, C.; Carroll, B.; Kaminsky, W. Absolute Configuration of Beer’s Bitter Compounds. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 1553–1555.

Socker förklarade med gangsigns – minnesregler för kolhydrater

I naturen är kolhydraterna bland de viktigaste biomolekylerna och utgör majoriteten av biosfärens biomassa. Cellulosa är en viktig strukturell komponent i växters cellväggar och deoxiribos är en beståndsdel i den livsviktiga DNA-molekylen. I molekylärcellbiologi är kolhydraterna de mest versatila informationsbärarna. Igenkänning av celler är ofta resultat av interaktioner med kolhydrater. Som ett exempel bestäms blodgrupper av hur ett antigen på den röda blodcellens yta har modifierats med kolhydrater. Industriellt används syntetiskt modifierade kolhydrater inom bland annat medicin-, mat- och klädindustrin. När det gäller forskning kan syntetiska metoder användas för att studera kolhydrater som är svåra att isolera eller annars inte är tillgängliga.

Kolhydraterna är med andra ord ytterst mångsidiga molekyler och för ett oerfaret öga är det ofta krångligt att åtskilja två socker. De som gått livets hårda skola (på finska: elämäm koulu) har väl vid något tillfälle använt sig av gangsigns för att uttrycka sig. Hör och häpna, dessa kan också användas för att komma ihåg och åtskilja socker. Genom att räkna binärt med fingrarna är det möjligt att lära sig olika sockers strukturer och namn utan större ansträngning.

”Sockerpappa” har inget med kolhydrater att göra, men är liksom kolhydrater ett mångsidigt begrepp med flera betydelser. Observera att aspartam inte är en kolhydrat, utan en peptid.

Men vilka molekyler definieras som kolhydrater? En tidig definition på kolhydrater var föreningar som hade den empiriska formeln Cm(H2O)n.[1,2] Formeln säger i stort sett att kolhydrater är hydrater av kol.[3] Dock finns en stor mängd kolhydrater som bryter denna definition (t.ex. det tidigare nämnda deoxiriboset). Därför talas det oftare om monosackarider och dess derivat, samt oligosackarider.[4]

När man i vardagligt tal pratar om socker så syftar man på disackariden sackaros. Det kemiska begreppet för socker är mycket bredare.

Organiska molekyler består oftasts av kolkedjor med varierande funktionella grupper och socker passar bra in i denna kategori. En vanlig egenskap som en stor mängd organiska molekyler innehar är asymmetri hos kolatomen, mer känt som kiralitet. Kolatomer brukar bilda fyra bindningar till andra atomer och om kolatomen binder till fyra substituenter som alla är olika varandra, så är kolatomen i fråga kiral. Etanolmolekylen – många studerandes favoritmolekyl – innehåller inte en enda kiral atom. Om du försöker byta plats på två substituenter får du samma molekyl som resultat. Byter du däremot plats på två substituenter hos en kiral kolatom, så får du en annan molekyl med andra fysiska och kemiska egenskaper. Ett gott men tragiskt exempel är medicinen talidomid som väntande mödrar under 50-60 -talsskiftet använde mot graviditetsillamående. Medicinen är en molekyl som innehåller ett kiralt center. Den ena formen har inga sidoeffekter och har önskad verkan, medan den andra formen är en teratogen och leder till deformationer och skador på nervsystemet hos fostret.[5]


Dessa två aminosyror är varandras enantiomerer (spegelbilder). Kolet i mitten är kiralt och byter man plats på två substituenter får man den andra molekylen som resultat. Bild från Wikipedia (16-03-2020) https://en.wikipedia.org/wiki/Chirality_(chemistry)#/media/File:Chirality_with_hands.svg (Public Domain)
D- och L-glukos är varandras enantiomerer (spegelbilder).

De flesta socker innehåller flera kirala kolatomer och då antalet ökar blir det snabbt svårt att hålla reda på olika socker. Antalet unika socker beror på hur många kirala kolatomer ett socker innehåller och kan beskrivas med 2n. Detta betyder att aldohexoserna som innehåller 4 kirala kolatomer har 16 unika kombinationer. För att hålla koll på dessa används en Fischer-projektion.

Fischer-projektionen är – liksom namnet antyder – ett sätt att projicera molekyler på ett tvådimensionellt plan. Till skillnad från den vanligtvis använda skelettformeln visar Fischer-projektionen alltid de kirala kolens konfigurationer.[6] Konversionen mellan Fischer-projektion och skelettformel är kanske först inte helt uppenbart. Följande YouTube-video visualiserar bra hur konversionen kan göras (1:20-2:00).

Tidigare nämndes det att aldohexoserna har 16 unika kombinationer, som kan delas upp i 8 olika socker där var och ett socker har en spegelbild. Låt oss ignorera spegelbilderna så behöver vi inte komma ihåg lika mycket. Aldohexoserna presenteras i följande bild. Det finns en minnesramsa för att komma ihåg deras namn och den går på följande vis: ”All Altruists Gladly Make Gum In Gallon Tanks”.[7]

Aldohexosers Fischer-projektioner i nummerordning (binärt och decimalt)

Också strukturerna är enkla att komma ihåg om man tänker sig att sockrenas Fischer-projektioner är representationer av binära tal. Hydroxylgrupper (-OH) som pekar mot höger har värdet 0, medan grupper som pekar mot vänster har värdet 1.[7]

Här kommer gangsigns och dina händer med i bilden. Om du ska tenta allt det ovannämnda så är det tyvärr inte tillåtet att ta med en luntlapp till tenten.[8] Däremot kan övervakaren av tenttillfället inte hindra dig ifrån att ha med dig dina händer. (Som ni kanske förstår skulle det då vara omöjligt att skriva tent.) Detta kan utnyttjas genom att under tenttillfället ”throw:a gangsigns”. I stället för aldehydgruppen (-CHO) som pekar uppåt på pappret, pekar din tumme upp i luften. Dina fingerspetsar visar åt vilket håll hydroxylgrupperna (-OH) pekar. Sen kan du räkna dina fingrar binärt i takt med minnesramsan. Vilken hand som används har ingen skillnad så länge som fingrarna visar åt rätt håll. I följande bilder ser du mina två personliga favoriter. Kan du lista ut vilka socker som händerna visar?

I bilden visar den vänstra handen D-galaktos (0110 eller 6). Gesten kan också vara till nytta under Tuska-festivalen.
Den högra handen visar D-glukos (0010 eller 2). En gammal hederlig ”sii dej”.

Konceptet kan vid behov användas som minnesregel även för kortare sockerkedjor. Då ligger begränsningen endast i hur kreativ man är att hitta på en ny ramsa. Vid behov kan fingrar på andra handen[9] kombineras och i ytterst sällsynta fall även tår. Dock vore detta opraktiskt eftersom man då behöver en apas vighet och dessutom måste ta av sig strumporna och sprida fotsvettlukt i tentsalen. De flesta socker kan räknas på en hand om man tar tummen till hjälp och redan socker som kräver två händer är sällsynta.

Tillägg / Referenser:

  1. Empirisk formel: En formel som berättar förhållandet mellan olika atomer i en kemisk förening.
  2. m och n är positiva heltal. Observera att H2O = vatten, men detta betyder inte nödvändigtvis att molekylen innehåller vatten i dess sanna bemärkelse.
  3. Hydrat: En kemisk förening som innehåller vatten eller dess beståndsdelar.
  4. Monosackarid (eller socker): En organisk molekyl som innehåller en aldehyd eller keton, och flera hydroxylgrupper.
  5. Thalidomide: From Wikipedia, the free encyclopedia, hämtat 16.03.2020, https://en.wikipedia.org/wiki/Thalidomide
  6. Konfiguration: Det vill säga hur de olika substituenterna är arrangerade i förhållande till varandra.
  7. S. Zheng (2015), J. Chem. Educ., 92(2), s. 395—398, DOI: 10.1021/ed500254x
  8. Relevant om du går kursen Biologinen Kemia (KEK205).
  9. …om du råkar äga två händer.