罗彻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，包括那些受气候变化威胁的植物。

想象一个没有植物的世界。尽管这种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——潜在植物源药物的迅速枯竭。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品严重依赖进口植物原料，这些植物原料需要非常特殊的气候条件才能实现最佳生长。

气候变化、入侵性病虫害以及难以满足最终产品大量需求的耕作方式等因素加剧了许多植物物种面临的威胁。

为了解决这些问题，罗彻斯特大学10名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，包括那些因地球气候变化而濒临灭绝的植物。学生们称自己为“RoSynth团队”，他们创建了一种经济实惠的3D打印系统，用于优化按需植物源药物和药品的生产。

11月，该团队的研究参加了2023年国际基因工程机器(iGEM)竞赛，在这项赛事中，来自世界各地的学生领导的团队将竞相利用合成生物学解决现实世界的问题。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，并荣获金奖，使他们成为美国第三大最受认可的团队。该队与来自六大洲的402支队伍进行了比赛。

“RoSynth团队的技术具有推动整个合成生物学领域发展的巨大潜力，可以直接、方便地生产新的工程活性材料，”生物系副教授、该项目的顾问之一AnneS.Meyer说道。罗切斯特的iGEM团队。

生物打印水凝胶的“巧妙”方法

RoSynth团队设计了他们的3D生物打印机来打印水凝胶——由水和聚合物制成的果冻状物质，可以容纳和释放生物分子。罗切斯特团队的系统是独一无二的，因为它在相邻的水凝胶中打印基因工程细菌和基因工程酵母，然后将其浸入液体营养肉汤中。制造最终化学产品的复杂工作被分配给两种不同类型的微生物，从而使该过程更加容易和快速。

一项关键的创新在于，酵母和细菌需要分开生长，以防止一种微生物生长得更快，从而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品。

“为了解决这个棘手的问题，学生们设计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3D生物打印，因此微生物彼此分开，但它们产生的分子可以自由交换。”

该方法可以合成植物性化学品，而不需要实际的植物。

作为测试案例，该团队生化合成了迷迭香酸(RA)。RA通常是从迷迭香、鼠尾草和蕨类植物等植物中提取的。它被用作调味剂和化妆品，并且还被证明具有抗氧化和抗炎特性。虽然迷迭香酸本身并未受到威胁，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，但生产时对学生来说没有毒害或危险，”迈耶说。“此外，制造它的途径相当复杂，由大量依次作用的酶组成。”

应对气候变化

该团队完全由学生领导，并有几名教职人员作为顾问，于2023年初开始集思广益项目想法。受到COVID-19大流行、气候变化以及罗切斯特靠近纽约农业中心的启发，团队优先考虑解决气候对植物化学品供应的影响。

“由于我们位于罗切斯特，毗邻纽约州主要农业区手指湖地区，我们考虑了气候变化的影响将如何导致未来几年农作物产量下降，并影响当地的供应植物和植物基化合物，”分子遗传学专业的凯瑟琳谢说。

罗彻斯特大学本科生创造的生物打印细菌含有在紫外线下发光的绿色荧光蛋白。图片来源：罗彻斯特大学照片/J.AdamFenster

同样是分子遗传学专业的MedhaPan补充道：“我们的iGEM团队专注于我们一直面临的气候危机和农业短缺，特别是在新冠病毒时代。我们亲眼目睹了获得可靠药物的重要性。”

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从柳树皮中提取的阿司匹林，以及由已确定需要保护的红豆杉树种开发的抗癌药物紫杉醇。

经济实惠的生物打印机

该团队的部分使命是创建一种经济实惠的生物打印机，采用开源设计，使其他人能够探索合成植物化学品。

“一台典型的生物打印机售价超过10,000美元，但我们设计的一台不到500美元，”生物医学工程专业的AllieTay说。“我们希望拥有一台3D生物打印机，实验室可以使用它来使用他们选择的任何分子进行概念验证。”

该项目使得其他科学家可以改变细菌和酵母中的基因和工程途径，以生产几乎任何植物性化学品。生物打印机本身的设计可以在团队的Wiki页面上找到，其中包括有关如何构建和使用打印机的指南，以便其他人可以创建和调整该技术以用于各种用途。

该团队将自然与尖端技术融为一体，证明本科生可以在创纪录的时间内领导突破性项目。

“博士生或研究生通常需要数年时间才能开发出这样的项目，”Tay说，“事实上，我们是本科生，而且我们的时间是从2月到11月，我认为这是一项相当艰巨的任务。”

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