De acordo com a Universidade de Rochester, a Terra enfrenta uma tendência preocupante – o rápido esgotamento de potenciais medicamentos derivados de plantas. Globalmente, dezenas de milhares de espécies de plantas com flores desempenham papéis vitais em aplicações medicinais, mas muitos dos produtos farmacêuticos que dominam o mercado dos Estados Unidos dependem fortemente de matérias-primas vegetais importadas que requerem condições climáticas muito específicas para um crescimento óptimo. A ameaça a muitas espécies de plantas é intensificada por factores como as alterações climáticas, pragas e doenças invasivas e práticas agrícolas que lutam para satisfazer a grande procura de produtos finais.
Na tentativa de resolver esses problemas, uma equipe de 10 estudantes de graduação da Universidade de Rochester, conhecida como ‘Team RoSynth‘, criou um sistema de impressão 3D acessível para otimizar a produção de medicamentos e produtos farmacêuticos derivados de plantas sob demanda.
Em novembro, a equipe inscreveu sua pesquisa na competição Internacional de Máquinas Geneticamente Engenhariadas (iGEM) de 2023, um evento no qual equipes lideradas por estudantes de todo o mundo competem para resolver problemas do mundo real usando biologia sintética. A biologia sintética aproveita a engenharia para construir peças biológicas inspiradas na natureza. O projeto da equipe de Rochester foi indicado para Melhor Projeto de Biofabricação e Melhor Hardware e recebeu uma medalha de ouro – tornando-a a terceira equipe mais reconhecida nos Estados Unidos. A equipe competiu contra 402 equipes de seis continentes.
“A tecnologia da equipe RoSynth tem um enorme potencial para impulsionar todo o campo da biologia sintética, permitindo a produção simples e acessível de novos materiais vivos projetados”, disse Anne S. Meyer, professora associada do Departamento de Biologia e uma das consultoras do Equipe iGEM de Rochester.
Hidrogéis de bioimpressão
A equipe RoSynth projetou sua bioimpressora 3D para imprimir hidrogéis – substâncias gelatinosas feitas de água e polímeros que podem reter e liberar moléculas biológicas. O sistema da equipe é único porque imprime bactérias geneticamente modificadas e leveduras geneticamente modificadas em hidrogéis adjacentes, que são então submersos em um caldo líquido de nutrientes. O complexo trabalho de produção do produto químico final é dividido entre dois tipos diferentes de micróbios – tornando o processo mais fácil e rápido.
Uma inovação fundamental reside no facto de a levedura e a bactéria necessitarem de crescer separadamente para evitar que um micróbio cresça mais rapidamente e provoque a morte do micróbio de crescimento mais lento. No entanto, os dois micróbios também precisam ser capazes de trocar moléculas para formar o produto químico final.
“Para resolver este problema complicado, os estudantes criaram uma solução engenhosa”, disse Meyer. “A levedura e a bactéria foram bioimpressas em 3D em hidrogéis, de modo que os micróbios foram mantidos separados uns dos outros, mas as moléculas que produziram puderam trocar-se livremente.”
A abordagem resulta na criação sintética de produtos químicos à base de plantas, sem a necessidade de plantas reais. Como caso de teste, a equipe sintetizou bioquimicamente o ácido rosmarínico (AR), que normalmente é extraído de plantas como alecrim, sálvia e samambaia. É utilizado como aromatizante e em cosméticos e também demonstrou ter propriedades antioxidantes e antiinflamatórias. Embora o ácido rosmarínico não esteja em perigo, foi um extrato ideal para testar.
“O ácido rosmarínico é um composto vegetal valioso, mas não era tóxico ou perigoso para a produção dos estudantes”, disse Meyer. “Além disso, o caminho para produzi-lo é bastante complexo, consistindo em um grande número de enzimas que agem sequencialmente.”
Uma resposta às alterações climáticas
A equipe, que é totalmente liderada por estudantes e com vários membros do corpo docente disponíveis como conselheiros, começou a debater ideias de projetos no início de 2023. Inspirada pela pandemia de COVID-19, pelas mudanças climáticas e pela localização da Universidade de Rochester perto de centros agrícolas em New York, a equipe priorizou a abordagem dos impactos climáticos no fornecimento de produtos químicos à base de plantas.
“Como estamos localizados em Rochester, que é adjacente à região de Finger Lakes, uma importante área agrícola no estado de Nova York, pensamos em como o impacto das mudanças climáticas levará à diminuição do rendimento das colheitas nos próximos anos e impactará a oferta local de plantas e compostos à base de plantas”, disse Catherine Xie, especialista em genética molecular.
“Nossa equipe iGEM estava focada na crise climática e na escassez agrícola que temos enfrentado, especialmente na era COVID. Vimos em primeira mão a importância de ter medicamentos acessíveis e confiáveis”, disse Medha Pan, também especialista em genética molecular.
Exemplos de medicamentos específicos que podem beneficiar dos métodos e tecnologias desenvolvidos pela Equipa RoSynth incluem a aspirina, que é derivada da casca do salgueiro, e o medicamento contra o cancro taxol, desenvolvido por espécies de teixos que foram identificadas como necessitando de proteção.
Uma bioimpressora Creality modificada e acessível
Parte da missão da equipe era criar uma bioimpressora acessível com um design de código aberto para capacitar outros a explorar a criação sintética de produtos químicos à base de plantas.
“Uma bioimpressora típica custará mais de US$ 10 mil, mas projetamos uma abaixo de US$ 500”, disse Allie Tay, formada em engenharia biomédica. “Queríamos ter uma bioimpressora 3D que fosse acessível aos laboratórios para fazer essa prova de conceito com as moléculas que escolherem.”
O projeto permite que outros cientistas possam alterar os genes e as vias de engenharia nas bactérias e leveduras para produzir praticamente qualquer produto químico vegetal. O design da bioimpressora está disponível na página Wiki da equipe e inclui um guia sobre como construir e usar a impressora para que outros possam criar e adaptar a tecnologia para uma variedade de usos.
Combinando natureza com tecnologia de ponta, a equipe provou que alunos de graduação podem liderar projetos inovadores em tempo recorde. “Projetos como esses geralmente levam anos para serem desenvolvidos por alunos de doutorado ou pós-graduação, e o fato de sermos estudantes de graduação fazendo isso e termos recebido de fevereiro a novembro – acho que é um empreendimento muito grande”, disse Tay. Para saber mais sobre o projeto acesse o site.
