Biologie: levende systemen als technisch ontwerp
Binnen NLT toetst het biologie-deel of je biologische processen kunt modelleren, meten en vertalen naar een technische toepassing. Denk aan homeostase, enzymkinetiek, transport over membranen, DNA-technologie en weefseltechnologie. Je hoeft geen los biologiefeitje te kennen; je moet kunnen beredeneren hoe een biologisch systeem reageert op een ingreep.
Systemen en terugkoppeling
- Negatieve terugkoppeling houdt een grootheid (glucose, temperatuur, pH) binnen een bandbreedte; positieve terugkoppeling versterkt een afwijking en vraagt een expliciet remmechanisme.
- Beschrijf een regelsysteem altijd met: sensor, regelcentrum, effector, regelgrootte en storingsbron.
Enzymen en transport
- Michaelis-Menten: v = Vmax·[S]/(Km + [S]); Km is de substraatconcentratie waarbij v precies ½Vmax is.
- Bij [S] = 3·Km geldt v = 0,75·Vmax, onafhankelijk van de waarde van Vmax.
- Bij diffusie en osmose gaat water naar de zijde met de hoogste opgeloste concentratie; osmotische druk π = iMRT.
Uitgewerkt voorbeeld
Een bioreactor met geïmmobiliseerd enzym heeft Vmax = 250 µmol min⁻¹ en Km = 12 mM. Bij [S] = 36 mM geldt v = 250 × 36/(12 + 36) = 250 × 0,75 = 187,5 µmol min⁻¹, dus 1,9·10² µmol min⁻¹. Verhoog je de concentratie naar 120 mM, dan is v = 250 × 120/132 = 227 µmol min⁻¹. De winst is nog maar 21%, terwijl je tien keer zoveel substraat aanvoert: verdere dosering is economisch zinloos. Dit is precies het soort afweging dat in een ontwerpvraag terugkomt.
Valkuilen
- Km en Vmax verwisselen: Km is een concentratie (mM), Vmax een snelheid (µmol min⁻¹).
- Een enzym haalt Vmax nooit helemaal; reken niet met 100% bij eindige [S].
- Eenheden door elkaar halen (µmol versus mmol, minuut versus uur).
- Vergeten dat een katalysator de evenwichtsligging niet verandert, alleen de snelheid.