罗切斯特大学的本科生开发了一种3d生物打印系统，可以复制植物中发现的化学物质，包括那些因气候变化而濒危的植物。

想象一个没有植物的世界。尽管这一极端情况尚未成为现实，但地球正面临着一个令人担忧的趋势——潜在的植物来源药物的迅速枯竭。在全球范围内，数以万计的开花植物物种在医药应用中发挥着至关重要的作用，但主导美国市场的许多药物严重依赖进口植物原料，这些原料需要非常特殊的气候条件才能达到最佳生长。

气候变化、入侵性病虫害以及难以满足对最终产品的巨大需求的耕作方式等因素加剧了对许多植物物种的威胁。

为了解决这些问题，一个由10名罗切斯特大学本科生组成的团队开创了新技术，以更有效地复制植物中发现的有用化学物质，包括那些受到地球气候变化威胁的化学物质。这些学生自称为“RoSynth团队”，他们创造了一个价格合理的3d打印系统，用于优化需求的植物衍生药物和药品的生产。

去年11月，该团队参加了2023年国际基因工程机器(iGEM)竞赛，这是一项由全球学生领导的团队竞争使用合成生物学解决现实世界问题的活动。合成生物学利用工程学来构建受自然启发的生物部件。罗切斯特团队的项目被提名为最佳生物制造项目和最佳硬件，并获得金奖，使他们成为美国第三个最受认可的团队。这支队伍与来自六大洲的402支队伍竞争。

“RoSynth团队的技术在推动整个合成生物学领域的发展方面具有巨大的潜力，可以直接、方便地生产新的工程生物材料，”罗切斯特大学生物学系副教授、iGEM团队顾问之一安妮·s·梅耶(Anne S. Meyer)说。

一种“巧妙”的生物打印水凝胶方法

RoSynth团队设计了他们的3D生物打印机来打印水凝胶——一种由水和聚合物组成的果冻状物质，可以容纳和释放生物分子。罗彻斯特团队的系统是独一无二的，因为它将基因工程细菌和基因工程酵母打印在相邻的水凝胶中，然后将其浸入液体营养液中。制造最终化学产品的复杂工作由两种不同类型的微生物完成，这使得这一过程更加容易和快速。

一个关键的创新在于，酵母和细菌需要分开生长，以防止一种微生物生长得更快，导致生长较慢的微生物死亡;然而，这两种微生物还需要能够交换分子，以形成最终的化学产物。

“为了解决这个棘手的问题，学生们想出了一个巧妙的解决方案，”迈耶说。“酵母和细菌在水凝胶中进行了生物3D打印，因此微生物彼此分开，但它们产生的分子可以自由交换。”

这种方法产生了基于植物的化学物质的合成，而不需要真正的植物。

作为一个测试案例，该团队用生物化学方法合成了迷迭香酸(RA)。RA通常是从迷迭香、鼠尾草和蕨类植物中提取的。它被用作调味品和化妆品，也被证明具有抗氧化和抗炎的特性。虽然迷迭香酸本身并不濒危，但它是一种理想的测试提取物。

“迷迭香酸是一种有价值的植物化合物，但对学生们来说是无毒或危险的，”迈耶说。“此外，制造它的途径非常复杂，由大量顺序起作用的酶组成。”

该团队完全由学生领导，有几位教师担任顾问，于2023年初开始集思广益。受2019冠状病毒病大流行、气候变化和罗切斯特靠近纽约农业中心的位置的启发，该团队优先解决气候对植物性化学品供应的影响。

分子遗传学专业的凯瑟琳·谢(Catherine Xie)说:“由于我们位于罗切斯特，毗邻纽约州的主要农业区芬格湖地区，我们考虑了气候变化的影响将如何导致未来几年作物产量下降，并影响当地植物和植物基化合物的供应。”

同样是分子遗传学专业学生的Medha Pan补充说:“我们的iGEM团队专注于我们所面临的气候危机和农业短缺，特别是在COVID时代。我们已经亲眼目睹了获得可获得和可靠药物的重要性。”

可能受益于RoSynth团队开发的方法和技术的特定药物的例子包括阿司匹林，它是从柳树树皮中提取的，以及抗癌药物紫杉醇，由已被确定为需要保护的紫杉树种开发。

该团队的部分任务是创造一种价格合理的生物打印机，采用开源设计，使其他人能够探索合成基于植物的化学物质。

生物医学工程专业学生艾莉·泰(Allie Tay)说:“一台典型的生物打印机售价超过1万美元，但我们设计了一台不到500美元的生物打印机。”“我们希望有一台3D生物打印机，实验室可以使用他们选择的任何分子来进行概念验证。”

这个项目是这样的，其他科学家可以改变细菌和酵母的基因和工程途径，以生产几乎任何基于植物的化学物质。生物打印机的设计本身可以在团队的Wiki页面上找到，其中包括如何构建和使用打印机的指南，以便其他人可以创建和适应各种用途的技术。

该团队将自然与尖端技术相结合，证明了本科生可以在创纪录的时间内领导突破性项目。

“像这样的项目通常需要博士或研究生花费数年的时间来开发，”Tay说，“事实上，我们是本科生，从2月到11月都在做这个项目，我认为这是一项相当大的任务。”

由罗切斯特大学提供

引用本文:Printing plant-based drugs - without plants(2024, 2月5日)，2024年2月5日检索自https://phys.org/news/2024-02-based-pharmaceuticals.html

本文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。