La Universidad de Rochester imprime en 3D productos farmacéuticos de origen vegetal

Índice
  1. Hidrogeles de bioimpresión
  2. Respuesta al cambio climático
  3. Una bioimpresora Creality modificada y asequible

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Según la Universidad de Rochester, La Tierra se enfrenta a una tendencia alarmante: el rápido agotamiento de posibles fármacos de origen vegetal. Decenas de miles de especies de plantas con flores desempeñan un papel importante en el uso medicinal en todo el mundo, pero muchos de los productos farmacéuticos que dominan el mercado estadounidense dependen en gran medida de materias primas importadas que requieren condiciones climáticas muy específicas para un crecimiento óptimo. Las amenazas a muchas especies de plantas se ven exacerbadas por factores como el cambio climático, las plagas y enfermedades invasoras y las prácticas agrícolas que luchan por satisfacer la creciente demanda de productos finales.

En un esfuerzo por abordar estos problemas, un equipo de 10 estudiantes universitarios de la Universidad de Rochester, conocido como RoSynth Team, ha desarrollado un sistema de impresión 3D asequible para optimizar la producción de medicamentos y productos farmacéuticos de origen vegetal en demanda.

En noviembre, el equipo inició su investigación en la competencia internacional de máquinas diseñadas genéticamente (iGEM) 2023, un evento en el que equipos liderados por estudiantes de todo el mundo compiten para resolver problemas del mundo real utilizando biología sintética. La biología sintética aprovecha la ingeniería para crear piezas biológicas inspiradas en la naturaleza. El proyecto del equipo de Rochester fue nominado a "Mejor Proyecto de Biofabricación" y "Mejor Equipo" y recibió una medalla de oro, lo que los convierte en el tercer equipo más reconocido de Estados Unidos. El equipo compitió contra 402 equipos de seis continentes.

Ann S., profesora asociada y una de las asesoras del Departamento de Biología. "La tecnología del equipo RoSynth tiene un gran potencial para avanzar en todo el campo de la biología sintética, permitiendo una producción sencilla y asequible de nuevos materiales vivos diseñados", dijo Ann S. Meyer. Meyer, Profesor Asociado del Departamento de Biología. El equipo iGEM de Rochester.

Estudiantes de la Universidad de Rochester imprimen en 3D productos farmacéuticos de origen vegetal modificando Creality Ender.
Ines Drissi Qeytoni prepara cultivos bacterianos durante la noche; y esteriliza el asa de inoculación bajo llama. Crédito: Universidad de Rochester/J. Adán Fenster.

Hidrogeles de bioimpresión

El equipo de RoSynth ha desarrollado su propia bioimpresora 3D para imprimir hidrogeles - sustancias gelatinosas hecho de agua y polímeros que pueden retener y liberar moléculas biológicas. El sistema del equipo es único porque imprime bacterias y levaduras genéticamente modificadas en hidrogeles adyacentes, que luego se sumergen en un caldo nutritivo líquido. El trabajo complejo sobre la producción química del producto final se divide en dos tipos de microbios: los que facilitan y aceleran el proceso.

El descubrimiento clave es que la levadura y las bacterias deben crecer por separado para evitar que un microbio crezca rápidamente y muera el otro. Sin embargo, los dos microbios deben poder intercambiar moléculas para crear la composición química del producto final.

"A los estudiantes se les ocurrió una solución ingeniosa para este difícil problema", dijo Meyer. "Las levaduras y las bacterias se bioimprimieron en 3D en hidrogeles, por lo que los microbios se mantuvieron separados, pero las moléculas que produjeron pudieron intercambiarse libremente".

El enfoque conduce a la producción sintética de productos químicos de origen vegetal sin la necesidad de plantas reales. Como caso de prueba, el equipo sintetizó bioquímicamente ácido rosmarínico (RA), que comúnmente se deriva de plantas como el romero, la salvia y los helechos. Se utiliza como aromatizante y en cosmética y también se ha demostrado que tiene propiedades antioxidantes y antiinflamatorias. Aunque el ácido rosmarínico en sí no está en peligro de extinción, fue un extracto excelente para probar.

"El ácido rosmarínico es un compuesto vegetal valioso, pero no es tóxico ni peligroso para los estudiantes", dijo Meyer. "Además, la forma en que se elabora es muy compleja, con muchas enzimas que actúan en secuencia".

Estudiantes de la Universidad de Rochester imprimen en 3D productos farmacéuticos de origen vegetal modificando Creality Ender.
Wenqi (Olivia) tiene un hueso de perro de alginato impreso en Di media. Crédito: Universidad de Rochester/J. Adán Fenster.

Respuesta al cambio climático

El proyecto, totalmente dirigido por estudiantes y con varios profesores como asesores, comenzó a discutir ideas a principios de 2023. Inspirado en la pandemia de COVID-19, el cambio climático y la ubicación de la Universidad de Rochester cerca de los centros agrícolas de Nueva York. York, el equipo dio prioridad a abordar los impactos climáticos en el suministro de productos químicos de origen vegetal.

"Como estamos ubicados en Rochester, adyacente a la región de Finger Lakes, una importante región agrícola del estado de Nueva York, hemos estado pensando en cómo los efectos del cambio climático afectarán el rendimiento de los cultivos y el suministro local de alimentos en los próximos años. . plantas y compuestos de origen vegetal”, dice la especialista en genética molecular Kathryn C.

“Nuestro equipo iGEM se centró en la crisis climática y la escasez agrícola, especialmente en la era de COVID. Hemos visto de primera mano la importancia de una medicina asequible y fiable", afirmó Medha Pan, también especialista en genética molecular.

Ejemplos de medicamentos especializados que se benefician de los métodos y tecnologías desarrollados por el equipo de RoSynth incluyen la aspirina derivada de la corteza de sauce y el taxol que combate el cáncer desarrollado por especies de árboles en peligro de extinción.

Una bioimpresora Creality modificada y asequible

Parte de la misión del equipo era crear una bioimpresora asequible con un diseño de código abierto que permitiera a otros explorar la producción sintética de productos químicos de origen vegetal.

"Una bioimpresora típica cuesta más de 10.000 dólares, pero construimos una por menos de 500 dólares", dice Ellie Tay, estudiante de ingeniería biomédica. "Queríamos tener una bioimpresora 3D que fuera asequible para que los laboratorios hicieran esta prueba de concepto con las moléculas elegidas".

El proyecto está diseñado para que otros científicos puedan modificar genes y diseñar vías en bacterias y levaduras para producir prácticamente cualquier sustancia química de origen vegetal. El diseño de la bioimpresora está disponible en la página Wiki del equipo e incluye instrucciones para construir y usar la impresora para que otros puedan crear y adaptar la tecnología para diferentes propósitos.

Al combinar la naturaleza con tecnología avanzada, el equipo ha demostrado que los estudiantes de posgrado pueden gestionar proyectos innovadores en un tiempo récord. "Proyectos como este generalmente toman años para doctorados o estudiantes de posgrado, y el hecho de que estemos haciendo esto porque es una licenciatura y lo realizamos de febrero a noviembre, creo que es una tarea enorme", dijo Tay.

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