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

想象一下一个没有植物的世界。虽然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——全球有成千上万种开花植物种类在医药应用中发挥着至关重要的作用，但许多在美国市场占主导地位的药物严重依赖于进口的原始植物材料，这些材料需要非常特定的气候条件才能最佳生长。许多植物种类面临的威胁因气候变化、入侵性害虫和疾病以及农业实践难以满足最终产品的大量需求等因素而加剧。

为了解决这些问题，罗切斯特大学的10名本科生团队开创了新技术，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中的化学物质。这些学生自称为“RoSynth团队”，他们创建了一个经济实惠的3D打印系统，用于优化生产需求量大的植物衍生药物和制药产品。

在11月份，该团队将他们的研究成果提交到了2023年国际基因工程机器（iGEM）竞赛中，这是一项由来自全球各地的学生领导的团队利用合成生物学解决实际问题的竞赛活动活动。合成生物学利用工程学的优势，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，并获得了金牌，使他们成为在美国获得认可程度第三高的团队。该团队与来自六大洲的402个团队竞争。

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——这是一种由水和聚合物组成的类似果冻的物质，可以保持和释放生物分子。罗切斯特团队的系统独特之处在于，它能够打印在相邻的水凝胶中的基因工程细菌和基因工程酵母，然后将它们浸入液体营养肉汤中。最终产品化学物质的复杂制作工作被分配给两种不同类型的微生物，使得过程更加容易和快速。

关键的创新在于，酵母和细菌需要分开生长，以防止其中一个微生物生长得更快，导致生长较慢的微生物死亡；然而，这两种微生物也需要能够交换分子以合成最终产品化学物。

“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，”Anne S. Meyer（罗大生物部门副教授）说。“酵母和细菌被3D生物打印在水凝胶中，这样微生物彼此分开，但它们产生的分子可以自由交换。”

这种方法结果在于合成植物基化学物，无需实际的植物。

作为一个测试案例，团队生物化学合成了迷迭香酸（RA）。RA通常从迷迭香、鼠尾草和蕨类植物中提取。它被用作调味料和化妆品成分，并且还显示出抗氧化和抗炎特性。虽然迷迭香酸本身不处于濒危状态，但它是一个理想的测试提取物。

“迷迭香酸是一种有价值的植物化合物，但对学生们来说生产过程中既不有毒也不危险，另外，制造它的途径相当复杂，包含多个依次作用的酶。”

应对气候变化

Wenqi (Olivia) Di ’25，RoSynth团队的一员，持有一个3D生物打印的细菌样本

“由于我们位于纽约州的一个主要农业区——罗切斯特，邻近指Finger Lakes地区，我们考虑到气候变化将在未来几年导致作物产量下降，影响当地植物和植物基化合物的供应，”分子遗传学专业的Catherine Xie，’25提到。

Medha Pan ’24，同为分子遗传学专业，补充说：“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问题，特别是在COVID时代。我们亲眼见证了拥有可获取和可靠的药物的重要性。”

RoSynth团队开发的方法和技术可能有助于特定药物的例子包括从柳树皮中提取的阿司匹林，以及由需要保护的紫杉树种开发的抗癌药物紫杉醇。

经济实惠的生物打印机

团队的部分使命是创建一个价格实惠的、开源设计的生物打印机，以赋能其他人探索合成创造植物基化学物质。

“典型的生物打印机售价超过10,000美元，但我们设计的一款不到500美元，”生物医学工程专业的Allie Tay ’25说。“我们希望有一个对实验室来说可获取的3D生物打印机，使其能够用他们选择的任何分子来做这个概念验证。”

该项目的设计使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基化学物质。生物打印机本身的设计可在团队的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调整技术以用于多种用途。

通过将自然与尖端技术相结合，该团队证明了本科生可以在创纪录的时间内领导开创性的项目。

“这样的项目通常需要博士或研究生好几年的时间来开发，”Tay说，“事实上我们是本科生在做这件事，而且我们是从二月到十一月——我认为这是一个相当大的任务。