Studenten aus Rochester haben ein 3D-Bioprinting-System entwickelt, um Chemikalien nachzubilden, die in Pflanzen vorkommen, auch solchen, die durch den Klimawandel gefährdet sind.
Stellen Sie sich eine Welt ohne Pflanzen vor. Auch wenn dieses Extremszenario nicht zur Realität geworden ist, steht die Erde vor einem besorgniserregenden Trend: der raschen Erschöpfung potenzieller pflanzlicher Arzneimittel. Weltweit spielen Zehntausende Blütenpflanzenarten eine wichtige Rolle in medizinischen Anwendungen, doch viele der Arzneimittel, die den US-amerikanischen Markt dominieren, sind stark auf importierte pflanzliche Rohstoffe angewiesen, die für ein optimales Wachstum ganz besondere klimatische Bedingungen erfordern.
Die Bedrohung vieler Pflanzenarten wird durch Faktoren wie den Klimawandel, invasive Schädlinge und Krankheiten sowie landwirtschaftliche Praktiken, die Schwierigkeiten haben, die große Nachfrage nach Endprodukten zu decken, verschärft.
Um diese Probleme anzugehen, hat ein Team aus zehn Studenten der University of Rochester neue Technologien entwickelt, um nützliche Chemikalien, die in Pflanzen vorkommen, einschließlich solcher, die durch das sich ändernde Klima der Erde gefährdet sind, effizienter zu reproduzieren. Die Studenten nannten sich „Team RoSynth“ und entwickelten ein erschwingliches 3D-Drucksystem zur Optimierung der Produktion gefragter pflanzlicher Medikamente und Pharmazeutika.
Im November reichte das Team seine Forschungsarbeit beim International Genetically Engineered Machine (iGEM)-Wettbewerb 2023 ein, einer Veranstaltung, bei der von Studenten geleitete Teams aus der ganzen Welt gegeneinander antreten, um mithilfe der synthetischen Biologie reale Probleme zu lösen. Die synthetische Biologie nutzt die Technik, um von der Natur inspirierte biologische Teile zu bauen. Das Projekt des Rochester-Teams wurde für die Auszeichnungen „Best Biomanufacturing Project“ und „Best Hardware“ nominiert und mit einer Goldmedaille ausgezeichnet, womit es das drittgrößte Team in den Vereinigten Staaten ist. Das Team trat gegen 402 Teams aus sechs Kontinenten an.
„Die Technologie des Team RoSynth hat ein enormes Potenzial, das gesamte Gebiet der synthetischen Biologie voranzutreiben und eine unkomplizierte, zugängliche Produktion neuer technischer lebender Materialien zu ermöglichen“, sagt Anne S. Meyer, außerordentliche Professorin am Fachbereich Biologie und eine der Beraterinnen für Das iGEM-Team von Rochester.
Eine „geniale“ Methode zum Bioprinting von Hydrogelen
Das Team RoSynth hat seinen 3D-Biodrucker entwickelt, um Hydrogele zu drucken – geleeartige Substanzen aus Wasser und Polymeren, die biologische Moleküle halten und freisetzen können. Das System des Rochester-Teams ist einzigartig, da es gentechnisch veränderte Bakterien und gentechnisch veränderte Hefe in benachbarte Hydrogele druckt, die dann in eine flüssige Nährbrühe getaucht werden. Die komplexe Arbeit bei der Herstellung der Endproduktchemikalie wird auf zwei verschiedene Arten von Mikroben aufgeteilt, wodurch der Prozess einfacher und schneller abläuft.
Eine wichtige Neuerung besteht darin, dass Hefe und Bakterien getrennt wachsen müssen, um zu verhindern, dass ein Mikroorganismus schneller wächst und der langsamer wachsende Mikroorganismus abstirbt; Allerdings müssen die beiden Mikroben auch in der Lage sein, Moleküle auszutauschen, um das chemische Endprodukt aufzubauen.
„Um dieses knifflige Problem zu lösen, haben sich die Studierenden eine geniale Lösung ausgedacht“, sagt Meyer. „Die Hefe und die Bakterien wurden in Hydrogelen in 3D biogedruckt, sodass die Mikroben voneinander getrennt gehalten wurden, die von ihnen produzierten Moleküle sich jedoch frei austauschen konnten.“
Der Ansatz führt zur synthetischen Herstellung pflanzlicher Chemikalien, ohne dass tatsächliche Pflanzen erforderlich sind.
Als Testfall synthetisierte das Team biochemisch Rosmarinsäure (RA). RA wird typischerweise aus Pflanzen wie Rosmarin, Salbei und Farn gewonnen. Es wird als Aromastoff und in Kosmetika verwendet und hat nachweislich auch antioxidative und entzündungshemmende Eigenschaften. Obwohl Rosmarinsäure selbst nicht gefährdet ist, war sie ein idealer Extrakt zum Testen.
„Rosmarinsäure ist ein wertvoller Pflanzenstoff, dessen Herstellung für die Schüler jedoch weder giftig noch gefährlich war“, sagt Meyer. „Außerdem ist der Herstellungsweg ziemlich komplex und besteht aus einer großen Anzahl von Enzymen, die nacheinander wirken.“
Eine Antwort auf den Klimawandel
Das Team, das vollständig von Studierenden geleitet wird und mehreren Fakultätsmitgliedern als Berater zur Seite steht, begann Anfang 2023 mit dem Brainstorming von Projektideen. Inspiriert durch die COVID-19-Pandemie, den Klimawandel und die Lage von Rochester in der Nähe von Agrarzentren in New York, wurde das Das Team legte Priorität auf die Bewältigung der Klimaauswirkungen auf die Versorgung mit pflanzlichen Chemikalien.
„Da wir in Rochester ansässig sind, das an die Finger Lakes-Region angrenzt, einem wichtigen Agrargebiet im Bundesstaat New York, haben wir darüber nachgedacht, wie die Auswirkungen des Klimawandels in den kommenden Jahren zu sinkenden Ernteerträgen führen und sich auf die lokale Versorgung auswirken werden Pflanzen und pflanzliche Verbindungen“, sagt Catherine Xie, Studentin der Molekulargenetik.
Medha Pan, ebenfalls Studentin der Molekulargenetik, fügt hinzu: „Unser iGEM-Team konzentrierte sich auf die Klimakrise und die landwirtschaftlichen Engpässe, mit denen wir konfrontiert waren, insbesondere in der COVID-Ära. Wir haben aus erster Hand gesehen, wie wichtig es ist, über zugängliche und zuverlässige Medikamente zu verfügen.“
Beispiele für spezifische Medikamente, die von den vom Team RoSynth entwickelten Methoden und Technologien profitieren könnten, sind Aspirin, das aus Weidenbaumrinde gewonnen wird, und das Krebsmedikament Taxol, das von Eibenarten entwickelt wird, die als schutzbedürftig identifiziert wurden.
Ein erschwinglicher Bioprinter
Ein Teil der Mission des Teams bestand darin, einen erschwinglichen Biodrucker mit Open-Source-Design zu entwickeln, um anderen die Möglichkeit zu geben, die synthetische Herstellung pflanzlicher Chemikalien zu erforschen.
„Ein typischer Biodrucker kostet über 10.000 US-Dollar, aber wir haben einen für weniger als 500 US-Dollar entwickelt“, sagt Allie Tay, Studentin im Bereich Biomedizintechnik. „Wir wollten einen 3D-Biodrucker haben, der für Labore zugänglich ist, um diesen Proof of Concept mit den von ihnen ausgewählten Molekülen durchzuführen.“
Das Projekt ermöglicht es anderen Wissenschaftlern, die Gene und die manipulierten Wege in den Bakterien und Hefen zu verändern, um praktisch jede pflanzliche Chemikalie herzustellen. Das Design des Bioprinters selbst ist auf der verfügbar Wiki-Seite des Teams und enthält eine Anleitung zum Aufbau und zur Verwendung des Druckers, damit andere die Technologie für eine Vielzahl von Anwendungen erstellen und anpassen können.
Durch die Kombination von Natur und modernster Technologie bewies das Team, dass Studierende in Rekordzeit bahnbrechende Projekte leiten können.
„Es dauert normalerweise Jahre, bis Doktoranden oder Doktoranden Projekte wie diese entwickeln“, sagt Tay, „und die Tatsache, dass wir Studenten sind, die das machen und von Februar bis November Zeit haben – ich denke, das ist ein ziemlich großes Unterfangen.“ „