Farmaceutici vegetali-Immagine Credit Public Domain.
Gli studenti universitari della Rochester University hanno sviluppato un sistema di bioprinting 3D per replicare le sostanze chimiche presenti nelle piante, comprese quelle messe a rischio dai cambiamenti climatici.
Immagina un mondo senza piante. Sebbene questo scenario estremo non sia diventato realtà, la Terra si trova ad affrontare una tendenza preoccupante: il rapido esaurimento dei potenziali farmaci di origine vegetale. A livello globale, decine di migliaia di specie di piante da fiore svolgono un ruolo vitale nelle applicazioni medicinali.
Tuttavia, molti dei prodotti farmaceutici che dominano il mercato degli Stati Uniti fanno molto affidamento su materie prime vegetali importate che richiedono condizioni climatiche molto particolari per una crescita ottimale. La minaccia per molte specie vegetali è intensificata da fattori quali il cambiamento climatico, i parassiti e le malattie invasive e le pratiche agricole che faticano a soddisfare la grande domanda di prodotti finali.
Per affrontare questi problemi, un team di 10 studenti universitari dell’Università di Rochester, ha sperimentato nuove tecnologie per replicare in modo più efficiente le sostanze chimiche utili presenti nelle piante, comprese quelle messe a rischio dai cambiamenti climatici della Terra. Gli studenti hanno creato un sistema di stampa 3D chiamata “Team RoSynth”, conveniente per ottimizzare la produzione di farmaci e prodotti farmaceutici di origine vegetale molto richiesti.
A novembre, il team ha partecipato alla competizione 2023 International Geneically Engineered Machine (iGEM), un evento in cui team guidati da studenti provenienti da tutto il mondo competono per risolvere problemi del mondo reale utilizzando la biologia sintetica.
La biologia sintetica sfrutta l’ingegneria per costruire parti biologiche ispirate alla natura. Il progetto del team di Rochester è stato nominato per il miglior progetto di bioproduzione e il miglior hardware e ha ricevuto una medaglia d’oro ed è il terzo team più riconosciuto negli Stati Uniti. La squadra ha gareggiato contro 402 squadre provenienti da sei continenti.
“La tecnologia del Team RoSynth ha un enorme potenziale per far avanzare l’intero campo della biologia sintetica, consentendo una produzione semplice e accessibile di nuovi materiali viventi ingegnerizzati“, afferma Anne S. Meyer, Professore associato presso il Dipartimento di Biologia e uno dei consulenti del team iGEM di Rochester.
Un metodo ‘ingegnoso’ per biostampare idrogel
Il team RoSynth ha progettato la propria biostampante 3D per stampare idrogel, sostanze gelatinose fatte di acqua e polimeri che possono trattenere e rilasciare molecole biologiche. Il sistema del team di Rochester è unico perché stampa batteri e lieviti geneticamente modificati in idrogel adiacenti, che vengono poi immersi in un brodo nutriente liquido. Il complesso lavoro di realizzazione del prodotto chimico finale è suddiviso tra i due diversi tipi di microbi, rendendo il processo più semplice e rapido.
Immagine: Ines Drissi Qeytoni ’26, membro del team iGEM, sterilizza un’ansa di inoculazione sotto fiamma mentre prepara colture batteriche notturne a Hutchison Hall. Credito immagine: foto dell’Università di Rochester / J. Adam Fenster
Un’innovazione chiave sta nel fatto che il lievito e i batteri devono crescere separatamente per evitare che un microbo cresca più velocemente e causi la morte del microbo a crescita più lenta; tuttavia, i due microbi devono anche essere in grado di scambiarsi molecole per costruire il prodotto chimico finale.
“Per risolvere questo problema complicato, gli studenti hanno escogitato una soluzione ingegnosa”, afferma Meyer. “Il lievito e i batteri sono stati biostampati in 3D in idrogel, quindi i microbi erano tenuti separati gli uni dagli altri, ma le molecole che producevano potevano scambiarsi liberamente”.
L’approccio porta alla creazione sintetica di sostanze chimiche di origine vegetale, senza la necessità di piante vere e proprie.
Come caso di prova, il team ha sintetizzato biochimicamente l’acido rosmarinico (RA). L’AR viene tipicamente estratto da piante come rosmarino, salvia e felce. Viene utilizzato come aromatizzante e nei cosmetici e ha anche dimostrato di possedere proprietà antiossidanti e antinfiammatorie. Sebbene l’acido rosmarinico non sia di per sé in pericolo, era un estratto ideale da testare.
“L’acido rosmarinico è un composto vegetale apprezzato, ma la sua produzione non era tossica o pericolosa per gli studenti“, afferma Meyer. “Inoltre, il percorso per produrlo è piuttosto complesso, poiché consiste in un gran numero di enzimi che agiscono in sequenza“.
Una risposta al cambiamento climatico
Il team, completamente guidato da studenti e con diversi membri della facoltà a disposizione come consulenti, ha iniziato a fare un brainstorming di idee di progetto all’inizio del 2023. Ispirato dalla pandemia di COVID-19, dai cambiamenti climatici e dalla posizione di Rochester vicino ai centri agricoli di New York, il team ha dato priorità alla lotta agli impatti climatici sulle forniture di prodotti chimici di origine vegetale.
STAMPA (BIO) FINE: Wenqi (Olivia) Di ’25, un membro del Team RoSynth, tiene in mano un campione di batteri biostampati in 3D. “La tecnologia del team RoSynth ha un enorme potenziale per far avanzare l’intero campo della biologia sintetica”, afferma la Prof.ssa di biologia Anne S. Meyer, che ha fornito consulenza al team iGEM di Rochester. Credito immagine: foto dell’Università di Rochester / J. Adam Fenster
“Poiché abbiamo sede a Rochester, che è adiacente alla regione dei Finger Lakes, un’importante area agricola dello Stato di New York, abbiamo pensato a come l’impatto del cambiamento climatico porterà a una diminuzione dei raccolti nei prossimi anni e avrà un impatto sulle forniture locali di piante e composti a base vegetale“, afferma Catherine Xie, laureata in genetica molecolare.
Medha Pan ’24, anch’egli specialista in genetica molecolare, aggiunge: “Il nostro team iGEM si stava concentrando sulla crisi climatica e sulle carenze agricole che stiamo affrontando, soprattutto nell’era COVID. Abbiamo visto in prima persona l’importanza di disporre di farmaci accessibili e affidabili”.
Esempi di farmaci specifici che potrebbero trarre vantaggio dai metodi e dalle tecnologie sviluppati dal Team RoSynth includono l’aspirina, che è derivata dalla corteccia del salice e il farmaco antitumorale Taxolo, sviluppato da specie di alberi di tasso identificate come bisognose di protezione.
Una biostampante conveniente
Parte della missione del team era creare una biostampante economica con un design open source per consentire ad altri di esplorare la creazione sintetica di sostanze chimiche a base vegetale.
“Una tipica biostampante costerà più di 10.000 dollari, ma ne abbiamo progettata una per meno di 500 dollari“, afferma Allie Tay, una specialista in ingegneria biomedica. “Volevamo avere una biostampante 3D che fosse accessibile ai laboratori per eseguire questa prova di concetto con qualunque molecola scelgano”.
Immagine: i batteri biostampati creati dagli studenti universitari di Rochester contengono proteine fluorescenti verdi che brillano sotto la luce ultravioletta. Credito immagine: foto dell’Università di Rochester / J. Adam Fenster
Il progetto è tale che altri scienziati possono modificare i geni e i percorsi ingegnerizzati nei batteri e nei lieviti per produrre praticamente qualsiasi sostanza chimica di origine vegetale. Il design della biostampante stessa è disponibile sulla pagina Wiki del team e include una guida su come costruire e utilizzare la stampante in modo che altri possano creare e adattare la tecnologia per una varietà di usi.
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Unendo la natura con una tecnologia all’avanguardia, il team ha dimostrato che gli studenti universitari possono condurre progetti innovativi in tempi record.
“Progetti come questi di solito richiedono anni per essere sviluppati da dottorandi“, dice Tay, “e il fatto che siamo studenti universitari a farlo e che il progetto ci sia stato assegnato da febbraio a novembre, penso che sia un’impresa piuttosto grande“.
Fonte: Università di Rochestar
