Студенты Университета Рочестера разработали систему 3D-биопечати, позволяющую воспроизводить химические вещества, содержащиеся в растениях, в том числе находящихся под угрозой исчезновения из-за изменения климата.
Представьте себе мир без растений. Хотя этот экстремальный сценарий, к счастью, пока не стал реальностью, Земля сталкивается с тревожной тенденцией — быстрым истощением потенциальных лекарств растительного происхождения. Во всем мире десятки тысяч видов цветущих растений играют жизненно важную роль в медицинских целях, но многие фармацевтические препараты в значительной степени зависят от импортного растительного сырья, которое требует очень специфических климатических условий для оптимального роста.
Угроза многим видам растений усиливается такими факторами, как изменение климат, инвазивные вредители и болезни, а интенсификация земледелия.
Чтобы решить эти проблемы, команда из 10 студентов бакалавриата Рочестерского университета разработала новые технологии, позволяющие более эффективно воспроизводить полезные химические вещества, содержащиеся в растениях, в том числе тех, которым угрожает изменение климата Земли. Назвав себя «Командой RoSynth», студенты создали доступную систему 3D-печати для оптимизации производства востребованных лекарств растительного происхождения и фармацевтических препаратов.
Команда представила свои исследования на Международном конкурсе генно-инженерных машин (iGEM) 2023 года — мероприятии, где команды под руководством студентов со всего мира соревнуются в решении реальных проблем с помощью синтетической биологии. Синтетическая биология использует преимущества инженерии для создания биологических частей, вдохновленных природой. Проект команды из Университета Рочестера, которая состязалась с 402 командами с шести континентов, был номинирован на награды «Лучший биопроизводственный проект» и «Лучшее оборудование» и был награжден золотой медалью.
«Технология команды RoSynth имеет огромный потенциал для продвижения вперед всей области синтетической биологии, обеспечивая простое и доступное производство новых искусственных живых материалов», — говорит Энн С. Мейер, доцент кафедры биологии и один из консультантов команды iGEM из Университета Рочестера.
Команда RoSynth разработала свой 3D-биопринтер для печати гидрогелей — желеобразных веществ, состоящих из воды и полимеров, которые могут удерживать и высвобождать биологические молекулы. Система команды уникальна тем, что она печатает генно-инженерные бактерии и генно-инженерные дрожжи в соседних гидрогелях, которые затем погружают в жидкий питательный бульон. Сложная работа по производству конечного химического продукта делится между двумя разными типами микробов, что делает процесс более простым и быстрым.
Ключевое нововведение заключается в том, что дрожжи и бактерии должны расти отдельно, чтобы не допустить более быстрого роста одного микроба и гибели более медленно растущего микроба. Однако два микроба также должны иметь возможность обмениваться молекулами для создания конечного химического продукта.
«Чтобы решить эту сложную проблему, студенты придумали гениальное решение, — говорит Мейер. - Дрожжи и бактерии были напечатаны на 3D-биопринтере в гидрогелях, поэтому микробы хранились отдельно друг от друга, но производимые ими молекулы могли свободно обмениваться».
Этот подход приводит к синтетическому созданию химикатов растительного происхождения без необходимости использования реальных растений. В качестве тестового примера команда биохимически синтезировала розмариновую кислоту. Ее обычно извлекают из таких растений, как розмарин, шалфей и папоротник. Розмариновая кислота используется в качестве ароматизатора и в косметике, а также обладает антиоксидантными и противовоспалительными свойствами. Хотя растения для производства розмариновой кислоты сами по себе не находится под угрозой исчезновения, она стала идеальным экстрактом для тестирования.
«Розмариновая кислота — ценное растительное соединение, но ее производство не было токсичным или опасным для студентов, — говорит Мейер. - Кроме того, путь создания довольно сложен и состоит из большого количества ферментов, которые действуют последовательно».
«Поскольку мы находимся в Рочестере, который примыкает к региону Фингер-Лейкс, крупному сельскохозяйственному району штата Нью-Йорк, мы подумали о том, как влияние изменения климата приведет к снижению урожайности сельскохозяйственных культур в ближайшие годы и повлияет на местные поставки растения и растительные соединения», — говорит Кэтрин Се, специалист по молекулярной генетике.
Примеры конкретных лекарств, для которых могут быть полезны методы и технологии, разработанные Team RoSynth, включают аспирин, который получают из коры ивы, и лекарство от рака таксол, полученное из видов тисовых деревьев, которые были идентифицированы как нуждающиеся в защите.
Часть миссии команды заключалась в создании доступного биопринтера с открытым исходным кодом, чтобы дать возможность другим исследовать синтетическое создание химических веществ на растительной основе.
«Типичный биопринтер будет стоить более 10 000 долларов, но мы разработали вариант стоимостью менее 500 долларов. Мы хотели иметь 3D-биопринтер, который был бы доступен лабораториям для проверки концепции с любыми молекулами, которые они выберут», - заключает Элли Тэй, специалист по биомедицинской инженерии.
Источник: University of Rochester. Автор: Линдси Валич.
Члены команды iGEM из Университета Рочестера использовали культуры бактерий, изображенные на фотографии, замороженные в жидком азоте, для изготовления 3D-биопечатных образцов бактерий в рамках своего проекта по воспроизведению химических веществ, обнаруженных в растениях. Фото: Рочестерский университет, автор фото: Дж. Адам Фенстер.
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.