Les étudiants de premier cycle de Rochester ont développé un système de bio-impression 3D pour reproduire les produits chimiques présents dans les plantes, y compris ceux menacés par le changement climatique.
Imaginez un monde sans plantes. Bien que ce scénario extrême ne soit pas devenu réalité, la Terre est confrontée à une tendance inquiétante : l’épuisement rapide des médicaments potentiels d’origine végétale. À l’échelle mondiale, des dizaines de milliers d’espèces de plantes à fleurs jouent un rôle vital dans les applications médicinales, mais bon nombre des produits pharmaceutiques dominant le marché américain dépendent fortement de matières premières végétales importées qui nécessitent des conditions climatiques très particulières pour une croissance optimale.
La menace qui pèse sur de nombreuses espèces végétales est intensifiée par des facteurs tels que le changement climatique, les ravageurs et maladies envahissants et les pratiques agricoles qui peinent à répondre à la forte demande de produits finaux.
Pour résoudre ces problèmes, une équipe de 10 étudiants de premier cycle de l’Université de Rochester a mis au point de nouvelles technologies permettant de reproduire plus efficacement les produits chimiques utiles présents dans les plantes, y compris ceux menacés par le changement climatique de la Terre. Se faisant appeler « Team RoSynth », les étudiants ont créé un système d’impression 3D abordable pour optimiser la production de médicaments et de produits pharmaceutiques d’origine végétale très demandés.
En novembre, l’équipe a inscrit ses recherches au concours international 2023 de machines génétiquement modifiées (iGEM), un événement au cours duquel des équipes dirigées par des étudiants du monde entier s’affrontent pour résoudre des problèmes du monde réel à l’aide de la biologie synthétique. La biologie synthétique profite de l’ingénierie pour construire des pièces biologiques inspirées de la nature. Le projet de l’équipe de Rochester a été nominé pour le meilleur projet de biofabrication et le meilleur matériel et a reçu une médaille d’or, ce qui en fait la troisième équipe la plus reconnue aux États-Unis. L’équipe a affronté 402 équipes de six continents.
« La technologie de l’équipe RoSynth a un énorme potentiel pour faire progresser l’ensemble du domaine de la biologie synthétique, en permettant une production simple et accessible de nouveaux matériaux vivants modifiés », déclare Anne S. Meyer, professeure agrégée au Département de biologie et l’une des conseillères pour L’équipe iGEM de Rochester.
Une méthode « ingénieuse » de bio-impression d’hydrogels
L’équipe RoSynth a conçu sa bio-imprimante 3D pour imprimer des hydrogels, des substances gélatineuses composées d’eau et de polymères qui peuvent retenir et libérer des molécules biologiques. Le système de l’équipe de Rochester est unique car il imprime des bactéries et des levures génétiquement modifiées dans des hydrogels adjacents, qui sont ensuite immergés dans un bouillon nutritif liquide. Le travail complexe de fabrication du produit chimique final est réparti entre deux types différents de microbes, ce qui rend le processus plus facile et plus rapide.
Une innovation clé réside dans le fait que la levure et les bactéries doivent se développer séparément pour empêcher un microbe de se développer plus rapidement et de provoquer la mort du microbe à croissance plus lente ; cependant, les deux microbes doivent également être capables d’échanger des molécules pour construire le produit chimique final.
« Pour résoudre ce problème délicat, les étudiants ont mis au point une solution ingénieuse », explique Meyer. « La levure et les bactéries ont été bio-imprimées en 3D dans des hydrogels, de sorte que les microbes étaient séparés les uns des autres, mais les molécules qu’ils produisaient pouvaient s’échanger librement. »
L’approche aboutit à la création synthétique de produits chimiques à base de plantes, sans avoir recours à de véritables plantes.
À titre de test, l’équipe a synthétisé biochimiquement de l’acide rosmarinique (RA). La RA est généralement extraite de plantes telles que le romarin, la sauge et la fougère. Il est utilisé comme arôme et dans les cosmétiques et il a également été démontré qu’il possède des propriétés antioxydantes et anti-inflammatoires. Bien que l’acide rosmarinique ne soit pas en danger en soi, c’était un extrait idéal à tester.
« L’acide rosmarinique est un composé végétal apprécié, mais sa production n’était ni toxique ni dangereuse pour les étudiants », explique Meyer. « De plus, le processus de fabrication est assez complexe et consiste en un grand nombre d’enzymes qui agissent de manière séquentielle. »
Une réponse au changement climatique
L’équipe, entièrement dirigée par des étudiants avec plusieurs membres du corps professoral en tant que conseillers, a commencé à réfléchir à des idées de projets au début de 2023. Inspiré par la pandémie de COVID-19, le changement climatique et l’emplacement de Rochester à proximité des pôles agricoles de New York, l’équipe L’équipe a donné la priorité à la lutte contre les impacts climatiques sur les approvisionnements en produits chimiques d’origine végétale.
« Puisque nous sommes situés à Rochester, qui est adjacent à la région des Finger Lakes, une zone agricole majeure de l’État de New York, nous avons réfléchi à la manière dont l’impact du changement climatique entraînerait une diminution des rendements des cultures au cours des années à venir et aurait un impact sur les approvisionnements locaux en les plantes et les composés d’origine végétale », explique Catherine Xie, spécialiste de génétique moléculaire.
Medha Pan, également spécialiste en génétique moléculaire, ajoute : « Notre équipe iGEM se concentrait sur la crise climatique et les pénuries agricoles auxquelles nous sommes confrontés, en particulier à l’ère du COVID. Nous avons pu constater par nous-mêmes l’importance d’avoir des médicaments accessibles et fiables.
Parmi les exemples de médicaments spécifiques qui pourraient bénéficier des méthodes et technologies développées par l’équipe RoSynth figurent l’aspirine, dérivée de l’écorce de saule, et le taxol, un médicament anticancéreux, développé par des espèces d’ifs qui ont été identifiées comme ayant besoin de protection.
Une bio-imprimante abordable
Une partie de la mission de l’équipe consistait à créer une bio-imprimante abordable avec une conception open source pour permettre à d’autres d’explorer la création synthétique de produits chimiques à base de plantes.
« Une bio-imprimante typique coûte plus de 10 000 dollars, mais nous en avons conçu une à moins de 500 dollars », explique Allie Tay, spécialiste en génie biomédical. « Nous voulions disposer d’une bio-imprimante 3D qui serait accessible aux laboratoires pour réaliser cette preuve de concept avec les molécules de leur choix. »
Le projet est tel que d’autres scientifiques peuvent modifier les gènes et les voies génétiques des bactéries et des levures pour produire pratiquement n’importe quel produit chimique à base de plantes. Le design de la bio-imprimante elle-même est disponible sur le page wiki de l’équipe et comprend un guide sur la façon de construire et d’utiliser l’imprimante afin que d’autres puissent créer et adapter la technologie pour une variété d’utilisations.
En alliant nature et technologie de pointe, l’équipe a prouvé que les étudiants de premier cycle peuvent mener des projets révolutionnaires en un temps record.
« Des projets comme ceux-ci prennent généralement des années à développer pour les étudiants au doctorat ou aux cycles supérieurs », dit Tay, « et le fait que nous sommes des étudiants de premier cycle et que nous avons reçu de février à novembre – je pense que c’est une entreprise assez importante. «