Печать растительных фармацевтических препаратов — без растений
Студенты Рочестера разработали систему 3D-биопечати для репликации химических веществ, содержащихся в растениях, включая те, которым угрожает изменение климата.
Многие фармацевтические препараты на рынке США зависят от импортного растительного сырья, требующего особых климатических условий. Угрозу для многих видов растений усугубляют изменение климата, инвазивные вредители и болезни, а также сельскохозяйственные практики.
Чтобы решить эти проблемы, команда из 10 студентов-бакалавров Университета Рочестера под названием Team RoSynth создала доступную систему 3D-печати для оптимизации производства востребованных лекарств растительного происхождения.
В ноябре 2023 года команда представила свой проект на конкурсе International Genetically Engineered Machine (iGEM), где соревнуются студенческие команды, решающие реальные проблемы с помощью синтетической биологии. Проект был номинирован на Best Biomanufacturing Project и Best Hardware и награждён золотой медалью, что сделало команду третьей по признанию в США (среди 402 команд с шести континентов).
"Технология Team RoSynth обладает огромным потенциалом для продвижения всей области синтетической биологии, позволяя просто и доступно производить новые конструируемые живые материалы", — говорит Энн С. Майер, доцент кафедры биологии и один из научных руководителей команды.
«Гениальный» метод биопечати гидрогелей
Система команды печатает гидрогели — желеобразные вещества из воды и полимеров, способные удерживать и высвобождать биологические молекулы. Уникальность системы в том, что она печатает генетически модифицированные бактерии и генетически модифицированные дрожжи в соседних гидрогелях, которые затем погружаются в питательный бульон.
Ключевая инновация: дрожжи и бактерии необходимо выращивать отдельно, чтобы предотвратить гибель медленнее растущего микроорганизма, но при этом они должны обмениваться молекулами для создания конечного продукта.
"Чтобы решить эту сложную проблему, студенты разработали гениальное решение, — говорит Майер. — Дрожжи и бактерии были распечатаны в гидрогелях, так что микробы были разделены, но производимые ими молекулы могли свободно обмениваться".
Этот подход позволяет синтетически создавать растительные химические вещества без необходимости в самих растениях.
В качестве тестового случая команда биохимически синтезировала розмариновую кислоту (RA), которую обычно получают из розмарина, шалфея и папоротника. Она используется как ароматизатор, в косметике и обладает антиоксидантными и противовоспалительными свойствами. RA не находится под угрозой, но идеально подошла для тестирования из-за сложного пути синтеза, состоящего из большого числа ферментов.
Ответ на изменение климата
Вдохновлённые пандемией COVID-19, изменением климата и близостью Рочестера к сельскохозяйственным центрам Нью-Йорка, команда решила сосредоточиться на влиянии климата на поставки растительных химикатов.
"Мы думали о том, как влияние изменения климата приведёт к снижению урожайности в ближайшие годы и повлияет на местные запасы растений и растительных соединений", — говорит Кэтрин Се, специалист по молекулярной генетике.
"Мы видели из первых рук важность наличия доступных и надёжных лекарств", — добавляет Медха Пан, также специалист по молекулярной генетике.
Конкретные примеры препаратов, которые могут получить пользу от этой технологии, включают аспирин (получаемый из коры ивы) и противораковый препарат таксол (из видов тисовых деревьев, нуждающихся в защите).
Доступный биопринтер
Частью миссии команды было создание доступного биопринтера с открытым исходным кодом.
"Типичный биопринтер стоит более 10 000 долларов, но мы создали свой менее чем за 500 долларов, — говорит Алли Тей, специалист по биомедицинской инженерии. — Мы хотели, чтобы 3D-биопринтер был доступен для лабораторий, чтобы они могли провести доказательство концепции с любыми молекулами на выбор".
Дизайн биопринтера и руководство по его сборке и использованию доступны на Wiki-странице команды. Учёные могут изменять гены и инженерные пути в бактериях и дрожжах для производства практически любого растительного химического вещества.
"Подобные проекты обычно занимают годы у аспирантов или докторантов, а тот факт, что это делаем мы, студенты-бакалавры, с февраля по ноябрь — это, я думаю, довольно серьёзное достижение", — говорит Тей.