Pharmazeutika auf Pflanzenbasis 3D-drucken – ohne Pflanzen

Studierende aus Rochester haben ein 3D-Bioprinting-System entwickelt, mit dem sie Chemikalien nachbilden können, die in Pflanzen vorkommen, auch in solchen, die durch den Klimawandel gefährdet sind.

Das Projekt, genannt “Team RoSynth”, hat ein kostengünstiges 3D-Drucksystem entwickelt, um die Produktion von gefragten, pflanzlichen Arzneimitteln und Pharmazeutika zu optimieren. Diese Innovation wurde im Rahmen des International Genetically Engineered Machine (iGEM) Wettbewerbs 2023 präsentiert und mit einer Goldmedaille ausgezeichnet, was das Team zu einem der führenden in den USA macht.

“Die Technologie des RoSynth-Teams hat das Potenzial, den gesamten Bereich der synthetischen Biologie voranzutreiben, indem sie eine unkomplizierte, leicht zugängliche Produktion neuer, künstlich hergestellter lebender Materialien ermöglicht”, sagt Anne S. Meyer, außerordentliche Professorin am Fachbereich Biologie und eine der Beraterinnen des iGEM-Teams von Rochester.

Das von Team RoSynth entworfene 3D-Bioprinter-System nutzt Hydrogele, um genetisch veränderte Bakterien und Hefen zu drucken, die in einer nährstoffreichen Brühe getaucht werden. Diese Methode ermöglicht es, dass die komplizierte Arbeit der chemischen Endproduktion zwischen zwei verschiedenen Mikrobenarten aufgeteilt wird, was den Prozess vereinfacht und beschleunigt. Ein Schlüsselelement der Innovation ist die Fähigkeit der Mikroben, Moleküle auszutauschen und gleichzeitig separat zu wachsen, um die Synthese der Zielchemikalien zu erleichtern.

“Um dieses knifflige Problem zu lösen, haben sich die Studenten eine geniale Lösung ausgedacht”, sagt Meyer. “Die Hefe und die Bakterien wurden im 3D-Bioprinting-Verfahren in Hydrogelen hergestellt, so dass die Mikroben voneinander getrennt blieben, die von ihnen produzierten Moleküle aber frei ausgetauscht werden konnten. Rosmarinsäure ist eine geschätzte Pflanzenverbindung, deren Herstellung für die Studenten weder giftig noch gefährlich war. Außerdem ist der Weg zu ihrer Herstellung ziemlich komplex und besteht aus einer großen Anzahl von Enzymen, die nacheinander wirken.”

Als Testfall synthetisierte das Team Rosmarinsäure, eine Verbindung, die aus Pflanzen wie Rosmarin, Salbei und Farn gewonnen wird und in der Kosmetik sowie als Geschmacksstoff verwendet wird, aufgrund ihrer antioxidativen und entzündungshemmenden Eigenschaften. Obwohl Rosmarinsäure selbst nicht vom Aussterben bedroht ist, diente sie als ideales Beispiel für die Machbarkeit des Verfahrens.

“Da wir uns in Rochester befinden, das an die Finger Lakes-Region grenzt, ein wichtiges landwirtschaftliches Gebiet im Staat New York, haben wir darüber nachgedacht, wie die Auswirkungen des Klimawandels in den kommenden Jahren zu sinkenden Ernteerträgen führen und sich auf die lokale Versorgung mit Pflanzen und pflanzlichen Stoffen auswirken werden”, sagt Catherine Xie, eine Studentin der Molekulargenetik.

Dieses Projekt reagiert nicht nur auf die Herausforderungen des Klimawandels und die damit verbundenen Auswirkungen auf die Verfügbarkeit pflanzlicher Chemikalien, sondern stellt auch eine erschwingliche Lösung dar, die anderen Forschenden den Zugang zu dieser Technologie ermöglicht. Durch die Bereitstellung eines Open-Source-Designs für den Bioprinter, der für weniger als 500 Dollar hergestellt werden kann, eröffnet Team RoSynth neue Wege für die synthetische Erzeugung pflanzlicher Chemikalien.

Medha Pan, ebenfalls Studentin der Molekulargenetik, fügt hinzu: “Unser iGEM-Team hat sich mit der Klimakrise und dem Mangel an landwirtschaftlichen Erzeugnissen befasst, mit dem wir vor allem in der COVID-Ära konfrontiert sind. Wir haben aus erster Hand erfahren, wie wichtig es ist, zugängliche und zuverlässige Medikamente zu haben.”

“Ein typischer Bioprinter kostet über 10.000 Dollar, aber wir haben einen für unter 500 Dollar entwickelt”, sagt Allie Tay, Studentin der Biomedizintechnik. “Wir wollten einen 3D-Biodrucker haben, der für Labore zugänglich ist, um diesen Konzeptnachweis mit beliebigen Molekülen zu erbringen.

Diese Entwicklung steht exemplarisch für die Verbindung von Natur und Spitzentechnologie, indem sie zeigt, wie Studierende mit innovativen Projekten die Grenzen der synthetischen Biologie erweitern können. Die Arbeit von Team RoSynth ist ein leuchtendes Beispiel dafür, wie junge Wissenschaftler reale Probleme mit kreativen und zugänglichen Lösungen angehen können.

“Für Projekte wie diese brauchen Doktoranden normalerweise Jahre, um sie zu entwickeln”, sagt Tay, “und die Tatsache, dass wir das als Studentierende machen und von Februar bis November Zeit hatten – das ist ein ziemlich großes Unterfangen.”