Name: 生物分子模型的3D打印技术的研究与教学 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 17 s
Description: 学习使用UCSF Chimera和Autodesk NetFabb设计并3D打印生物分子模型。该方法利用低成本桌面打印机制作蛋白质结构物理模型，促进研究人员和学生之间的互动讨论，显著提升对分子结构与功能的直观理解。

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作者感谢 Deis3D、布兰迪斯大学 3D 打印俱乐部以及布兰迪斯大学图书馆/LTS/Makerlab 成员的支持。本工作部分由美国国家科学基金会（NSF）授予 Pomeranz Krummel 的基金资助，项目编号 1157892；德国联邦教育与研究部（BMBF）授予图宾根大学的 ESIT 项目资助；以及美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）、美国卫生与公共服务部根据合同号 GS35F0373X 提供的美国联邦资金支持。分子图形与分析使用 UCSF Chimera 软件包完成。Chimera 由加利福尼亚大学旧金山分校（University of California, San Francisco）的生物计算、可视化与信息学资源中心开发（受 NIGMS P41-GM103311 项目支持）。

1. 准备用于打印的3D模型文件
注意：生物大分子的3D模型文件可通过两种方法生成：（1）在线使用美国国立卫生研究院（NIH）3D打印交换平台的自动化工具10，或（2）在本地使用分子建模软件。自动生成的模型将采用本实验方案中详述的流程来创建可打印的表示形式，但用户无法选择表示形式的具体细节。相比之下，自定义模型生成允许用户控制生物大分子的可视化属性。可显示单个原子、残基和化学键，并可指定带状结构、化学键和支撑杆的尺寸比例。NIH 3D打印交换平台的自动化工具以及下述实验方案均使用UCSF Chimera软件，这是一款免费开源的分子建模软件包11，非常适合导出生物大分子的3D文件。Chimera导出的所有3D文件均以埃（angstrom）作为距离单位。当这些文件以1毫米/距离单位的比例导入切片软件时，模型将被放大1000万倍。
<ol>
	<li>利用美国国立卫生研究院 3D 打印交换平台自动生成可打印的 3D 模型 
	注意：NIH 3D 打印交换平台运行 Chimera 脚本，其功能与步骤 1.2–1.3 中描述的操作类似。
	<ol>
		<li>从数据库（PDB、EMDB 或 PubChem）中查找要打印的生物分子结构的分子数据文件（补充材料 1.1）。记录目标生物分子的登录号。</li>
		<li>访问 NIH 3D 打印交换平台（3dprint.nih.gov），如果是首次使用，请创建一个新用户账户。</li>
		<li>导航至 &#34;快速提交&#34; 特征，输入生物分子的登录号，然后点击提交。</li>
		<li>生成生物分子模型后，前往模型页面并下载该生物分子的STL文件 &#34;带状结构&#34; 或 &#34;表面&#34; 表示。继续进行方案的第2节。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用 UCSF Chimera 生成自定义分子模型 
	注意：有关使用 Chimera 制作三维模型的更多详细信息，包括许多步骤的命令行等效操作，可参见补充材料 1.2。
	<ol>
		<li>下载并安装 UCSF Chimera（https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html）。</li>
		<li>使用 Chimera，通过执行以下操作之一来获取分子数据文件：
		<ol>
			<li>使用工具栏命令 文件 &#62; 获取 按 ID, 输入 Pubchem、PDB 或 EMDB 登录号，以直接从数据库检索文件。</li>
			<li>使用工具栏命令 文件 &#62; 打开，检索本地分子数据文件；默认情况下，蛋白质和核酸将以带状图显示，配体以原子和化学键显示，并显示配体周围5 Å范围内的残基。</li>
			<li>通过进入 Chimera 命令行来使用 收藏夹 &#62; 命令行，使用 打开 命令并输入登录号。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>制备生物大分子的3D打印模型 
	注意：生物分子结构有多种显示或表示方式。选择特定表示方式用于打印时，应基于其能否最有效地揭示生物分子的结构与功能关系。常用的表示方式包括 &#34;切片条带，&#34; &#34;表面，&#34; 和 &#34;原子/化学键&#34; 然而，最好探索结合使用这些表示方式来展示特定的侧链或配体。此外，3D打印结构应具备足够的强度，以确保能够成功打印并在手持时不易断裂。因此，在选择表示方式或展示侧链时，必须考虑这一因素。同时应考虑引入支撑结构，或 &#34;支柱&#34; 最后，在打印模型时，需要对模型进行适当缩放，以确保所有结构特征均能准确打印。因此，对于较大的生物大分子，由于打印尺度的限制，完全采用带状或原子表示形式可能并不可行。
	<ol>
		<li>生成可3D打印的三维模型 &#34;切片条带&#34; 
		&#8203;注：更多细节见补充材料1.2.1。
		<ol>
			<li>选择可见的 &#34;溶剂,&#34; 利用离子等成分 选择 &#62; 结构 &#62; 溶剂.</li>
			<li>隐藏所选内容 &#34;溶剂&#34; 使用 操作 &#62; 原子/化学键 &#62; 隐藏.</li>
			<li>增加丝带的直径，使其能够成功打印。使用 丝带样式编辑器 菜单下方 工具 &#62; 图示. 
			注意：初次尝试时建议的参数： 在……之下 缩放示例标签，更改 高度 每项的值至少为0.7，每个设置的宽度至少为以下数值： 线圈 0.7; 螺旋 1.4; 表格:1.4; 箭头（基部）: 2.1; 箭头（尖端） 0.7; 核酸 1.0.</li>
			<li>如果存在核酸，则改变其碱基表示方式 操作 &#62; 原子/化学键 &#62; 核苷酸分子 &#62; 设置. 将糖/碱基显示更改为梯形，并将横档半径设置为 0.6。</li>
			<li>可选：继续执行步骤 1.3.3 以引入支撑结构。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>生成可3D打印的 &#34;表面&#34; 分子的表示 
		注：更多细节见补充材料1.2.2。
		<ol>
			<li>隐藏所有先前的表示。使用 操作步骤 &#62; 原子/化学键 &#62; 隐藏， 和 操作 &#62; 带状物 &#62; 隐藏。</li>
			<li>当以球体形式渲染原子时，选择目标原子并调整其半径 操作 &#62; 检查 菜单 
			注意：更改默认的原子半径可能有助于在打印模型中更清晰地区分不同类型的原子。</li>
			<li>使用以下方法隐藏所有显示的带状结构、原子、化学键和伪键 操作步骤 &#62; 原子/化学键 &#62; 隐藏 和 操作 &#62; 带状物 &#62; 隐藏。</li>
			<li>如果需要表面细节，则添加氢原子，以使表面计算更加准确。使用 工具 &#62; 结构编辑 &#62; 添加H.</li>
			<li>通过输入生成曲面 表面 #0 网格 0.5 在命令行中。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>生成可3D打印的表示形式 &#34;原子/化学键&#34; 
		注：更多细节见补充材料1.2.3。
		<ol>
			<li>隐藏溶剂。使用 选择 &#62; 结构 &#62; 溶剂 然后 操作步骤 &#62; 原子/化学键 &#62; 隐藏.</li>
			<li>通过选择并显示特定残基和/或配体的原子与化学键来在结构表示中展示它们 操作 &#62; 原子/化学键 &#62; 显示原子的表示方式可以进行修改 操作步骤 &#62; 原子/化学键 通过选择下拉菜单 棒，球 &amp;#38; 棍棒，或 球体.</li>
			<li>选择后，增大棍状或球棍模型表示的半径 操作步骤 &#62; 检查 菜单</li>
			<li>可选：继续执行步骤 1.3.4 以引入支撑结构。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>为可3D打印的模型添加结构支撑 
	注意：更多细节见补充材料1.2.4和1.2.5。在此阶段，可向3D模型中添加支撑结构。建议在α-螺旋和β-折叠等二级结构中加入主链氢键以增强稳定性，尽管对于小分子蛋白质（即， 小于50个残基的蛋白质通常以具有一定厚度的带状形式表示，此类模型在没有额外支撑的情况下通常也能良好打印。然而，对于较大的蛋白质，即使添加了氢键，许多带状模型仍然过于脆弱，难以成功打印。支撑杆（struts）是模型内部的物理连接结构，不反映任何分子特性，但可增强模型的机械强度，从而便于打印和操作。Chimera提供了一种快速自动向模型添加支撑杆的方法。 支柱 通过命令行输入命令，也可使用“距离”工具手动显示单个支撑杆。
	<ol>
		<li>显示氢键以准备更稳固的打印。使用菜单 工具 &#62; 结构分析 &#62; FindHBond.</li>
		<li>使用 工具 &#62; 常规控制 &#62; 伪键面板 以修饰氢键。选择 &#34;氢键&#34; 伪键，单击 属性 按钮并检查 &#34;组分伪键属性&#34; 盒中。在下方面板中，将键的样式从 导线 到 棒状物 以及 半径 0.2 到 0.6 的数值。</li>
		<li>可选：添加支撑结构，或 &#34;支柱，&#34; 使用 支柱 命令。要创建蓝色支柱，其半径为1.0 Å，位于每70个残基的α碳上，且相邻支柱间距不超过8 Å，请使用以下命令： struts @ca 长度 8 环数 70 颜色 蓝色 半径 1.0 加粗带状 false.</li>
		<li>可选：使用以下方法创建单个支柱 距离 工具，通过按住 Shift+Ctrl 并分别单击两个原子来选择它们，使用 工具 &#62; 结构分析 &#62; 距离，单击“创建”以添加虚拟键。导航至 伪键面板，选择 &#34;距离监测器&#34; 伪键，单击 属性 按钮，并检查 &#34;组分伪键属性&#34; 盒中。在下方面板中，将键的样式从 导线 到 棒状物 以及 半径 0.2 到 0.01 的数值。</li>
		<li>将Chimera渲染结果导出为STL 3D模型文件
		<ol>
			<li>一旦获得所需的结果图，使用 文件 &#62; 导出场景 导出3D文件。选择STL作为文件类型，命名并保存模型。注意：该STL文件可按照实验方案第2节所述进行修复、定向和打印。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 处理用于打印的STL文件
<ol>
	<li>使用 Autodesk Netfabb 修复 STL 文件 
	注意：当模型包含多个具有相交几何形状的重叠部分时，可能需要进行修复，这种情况通常出现在带状模型和原子模型中。重叠的几何体在某些切片软件读取文件时可能会导致错误，因为相交区域可能被解释为模型的外部。更多细节请参见补充材料 2.1。
	<ol>
		<li>下载并安装该软件的标准版本。</li>
		<li>打开程序，导入需要修复的 STL 文件。如果网格存在问题，将显示警告标志。</li>
		<li>使用 Extras &#62; Automatic Part Repair，选择 Extended Repair，然后等待文件处理完成；对于小型模型，处理仅需数秒，但对于大型模型，可能需要数分钟。</li>
		<li>右键单击模型，选择 Export Part &#62; As STL ，或使用 Project &#62; Export Project as STL 保存修复后的模型；程序将在文件名后添加 &#34;repaired&#34; 以区别于原始文件。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用 Autodesk Meshmixer 调整模型打印方向 
	注意：在切片前对模型进行最佳方向调整，可减少悬垂部分的数量，从而减少打印过程中所需的支撑结构。经过优化方向的模型打印速度更快、耗材更少，且在打印过程中失败的可能性更低。更多细节请参见补充材料 2.2。
	<ol>
		<li>下载并安装软件。</li>
		<li>将修复后的 STL 文件导入程序中。</li>
		<li>选择 Analysis &#62; Orientation。</li>
		<li>将 Strength Weight 值调整为 100，Support Vol Weight 值调整为 0，Support Area Weight 值调整为 0，然后更新模型。此操作将旋转模型以最小化悬垂数量。接受最终的朝向。</li>
		<li>使用 File &#62; Export ，从下拉菜单中选择二进制 STL 文件格式并保存文件。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 切片与打印
<ol>
	<li>选择丝材材料 
	注意：应在使用切片软件前完成打印材料的选择，因为不同材料的打印参数设置各不相同。目前广泛使用的三种材料为聚乳酸（PLA）、热塑性弹性体（TPE）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）。PLA 通常是打印精细分子模型最有效的材料，因其冷却速度快、在构建平台上的附着力良好，且很少发生翘曲。TPE 是一种与 PLA 类似的材料，可用于制作具有柔性的模型，推荐用于互补蛋白表面模型或蛋白带状模型。ABS 比 PLA 更坚固且更具柔韧性，但在打印过程中会产生潜在有害的颗粒物12。通常不建议用其打印分子模型，因为较高的材料温度会导致微小结构的打印精度降低。更多细节请参见补充材料 3.1。
	<ol>
		<li>使用聚乳酸（PLA）进行打印。
		<ol>
			<li>将喷嘴温度设为 210 °C。为确保部件与打印床的良好附着，将打印床温度设为 70 °C。若使用无加热功能的打印床，需在其表面覆盖美纹纸胶带。启用主动冷却。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>使用热塑性弹性体（TPE）进行打印
		<ol>
			<li>重复步骤 3.1.1.1。将打印速度设置为 1,200 mm/min 或更低。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）进行打印
		<ol>
			<li>不要启用冷却功能。将喷嘴温度设为 240 °C。为确保部件与打印床的良好附着，将打印床温度设为 110 °C。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>生成 G 代码 
	注意：模型默认将以一千万倍的放大倍数导入。带状模型应缩放至两千万倍（200%）或更高。表面模型在 100% 或更高缩放比例下打印效果良好。更多细节请参见补充材料 3.2。
	<ol>
		<li>下载并安装打印切片软件。</li>
		<li>使用 文件 &#62; 导入模型 并选择已修复且方向正确的 STL 文件。</li>
		<li>通过双击模型并在屏幕右侧窗口中输入缩放因子来调整模型尺寸。</li>
		<li>为模型生成支撑结构。点击支撑图标，选择普通支撑，支柱分辨率为 1，最大悬垂角度为 50°。</li>
		<li>点击“生成全部支撑”。可添加或删除支撑结构特征以自定义支撑位置。</li>
		<li>选择一个工艺流程并点击 编辑工艺设置。</li>
		<li>配置所用打印机和材料的配置文件。 
		&#8203;注意：应包含筏板（raft）和裙边（brim），带状模型应以 100% 填充率进行打印。详细的配置文件设置请参见补充材料 3.2。</li>
		<li>将模型转换为打印机可读的 G 代码文件。点击 &#34;准备打印&#34; 按钮，并选择包含打印机/材料配置文件的工艺流程。观察打印喷嘴的运动路径，并检查是否存在可能导致打印失败的错误。 
		&#8203;注意：可能导致打印失败的错误包括悬垂区域下方缺少支撑、出现非预期的空腔、图层缺失，或某些区域过薄而无法打印。</li>
		<li>将 G 代码文件保存至桌面或直接保存至 SD 卡。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>操作打印机 
	注意：每种品牌或型号的打印机均具有独特性，其打印前的准备和校准步骤也会有所不同。请参考打印机的使用手册。
	<ol>
		<li>确保工作站已连接至打印机，或已将包含 GCODE 的 SD 卡插入打印机。</li>
		<li>通过装入丝材并确保打印床水平来准备打印机；具体操作说明请参见打印机手册。</li>
		<li>通过计算机或打印机菜单从 SD 卡本地启动打印任务。</li>
		<li>观察打印过程，直至第一层成功完成。若第一层出现任何错误，应中止并重新开始打印。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 后期处理
注意：在此最后阶段，应格外小心。需移除模型上的支撑结构。通常采用手动方式完成，但也可使用其他方法，例如可溶解支撑材料；参见补充材料4。
<ol>
	<li>通过轻轻侧向拉动将打印件从构建板上取下。如果筏板与构建板粘附较紧，可将锋利的工具边缘插入两者之间将其分离。</li>
	<li>移除模型上的支撑结构。许多支撑可以通过手动方式拆除，将其从零件和筏板上折断即可。柔性模型可通过将其从零件上拉离的方式取下。对于难以触及或连接在精细结构上的支撑，应使用剪切钳剪断支撑与零件连接的部位。</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

生物大分子的物理三维模型为更常见的基于计算机的可视化方法提供了有力补充。物理三维表示形式所具有的额外特性有助于直观理解生物大分子结构。构建生物大分子的物理三维模型，可通过利用人类感官系统高度发展的感知模式，促进对这些分子的研究。三维模型不仅可作为研究人员的辅助工具，还可用于促进教学活动，并提高学习成果的达成度13,14,15。可在塑料模型中添加磁铁，以实现组装与拆卸，例如多肽模型所示16。此外，3D打印物体也可应用于科研，既可用于实验室设备的制造17，也可用于制备用于细胞的微流控装置18，以及晶体19或神经元20的模型。操作物理模型有助于促进协作式讨论，从而激发新的科学见解。
近年来，3D打印技术不断发展，打印机成本也逐渐降低，使得个人用户能够创建生物大分子的复杂三维实体模型。尽管熔融沉积成型（FFF）打印技术比其他方法更常见且成本更低，但也存在若干局限性。3D打印过程耗时较长，且可能发生机械故障。FFF打印机通常只能对单个部件使用一种材料，限制了颜色信息的呈现。FFF打印机所制模型的分辨率较低，每层约为100 µm。我们建议读者充分考虑这些限制条件，并针对自身所使用的打印机及感兴趣的生物分子开发合适的打印方案。本文已介绍用户创建其感兴趣生物分子的定制化3D模型所需的操作流程，确保模型具备准确性、信息性和可打印性。与任何新技术一样，在使用过程中常会遇到一些&#34;初期困难&#34;，需逐步克服。我们提供了多个实例，说明在3D打印生物分子过程中可能遇到的问题（见补充材料6）。
最后，本文旨在推动生物分子3D打印用户社区的发展。值得注意的是，美国国立卫生研究院（NIH）已建立一个数据库，供公众共享3D模型及其打印方法10。我们强烈鼓励参与这一独特资源的建设（有关如何向NIH 3D打印交换平台上传3D模型打印文件及背景信息的说明，请参见补充材料7）。

要充分理解生物分子的功能与活性，需要确定其三维（3D）结构。这一目标通常通过X射线晶体学、核磁共振（NMR）或电子显微镜来实现。三维结构可通过模型的感知来理解，即借助准确反映其所代表结构的实体或对象1。历史上，构建物理三维模型对于研究人员验证、探索和交流有关生物分子功能的假设至关重要。这些模型，如沃森-克里克（Watson-Crick）的DNA双螺旋结构和鲍林（Pauling）的α螺旋结构，为理解结构与功能之间的关系提供了独特视角，并在早期核酸和蛋白质结构功能研究中起到了关键作用2,3,4。尽管可以构建复杂的蛋白质和核酸模型，但构建物理模型所需的时间和成本最终被计算机辅助分子可视化技术的便捷性所超越。
3D打印技术（也称为增材制造）的发展使得生物大分子的物理模型构建再次成为可能5。3D打印是指通过逐层添加材料的方式，从数字文件中制造出实体三维物体的过程。该过程采用多种不同的机制实现。直到最近，用于生成生物大分子物理模型的设备仍过于昂贵，难以广泛普及。然而，在过去十年中，3D打印技术——尤其是熔融沉积成型（FFF）技术——取得了显著进步，已逐渐进入消费级应用领域6。如今，FFF打印机已在高中、图书馆、大学和实验室中普遍配备。3D打印技术成本的降低和可及性的提高，使得将数字三维生物分子模型转化为精确的实体三维生物分子模型成为可能7,8,9。这些模型不仅包括单个生物分子的简单表示，还包括核糖体和病毒衣壳结构等复杂的生物大分子组装体。然而，打印单个生物分子和大分子组装体的过程仍面临多项挑战，尤其是在使用热塑性挤出方法时尤为明显。具体而言，生物分子的模型通常具有复杂的几何结构，难以被打印机准确成型；同时，创建并处理可用于成功打印的数字模型，需要掌握分子建模、三维建模以及3D打印机软件操作的相关技能。
打印生物分子的3D工作流程大致分为四个步骤：（1）从其坐标文件制备用于3D打印的生物分子模型；（2）将生物分子模型导入&#34;切片&#34;软件，以对模型进行分段处理，并生成支撑结构，用于在物理上支撑生物分子模型；（3）选择合适的线材并打印3D模型；（4）后期处理步骤，包括从模型上移除支撑材料（图1和图2）。该流程的第一步——对生物分子的坐标文件进行计算机处理——至关重要。在此阶段，用户可添加支柱形式的模型加固结构，并删除用户选择显示内容之外的多余结构。此外，还需在此阶段确定表示方式：是将生物分子的全部或部分以表面表示、带状表示和/或单个原子形式呈现。在完成必要的内容增减并选定表示方式后，将结构保存为3D模型文件。接下来，该文件将在第二个软件程序中打开，将其转换为可逐层打印成生物分子塑料复制品的3D打印文件。
本实验方案的目标是让大量拥有FFF打印机但无法使用更昂贵3D打印技术的用户能够便捷地制作分子模型。本文提供了一套从三维分子数据3D打印生物分子的指南，所采用的方法已针对FFF打印技术进行了优化。我们详细说明了如何最大限度提升复杂生物分子结构的可打印性，并确保物理模型的后处理过程简便易行。文中比较了多种常见打印材料或线材的性能，并给出了用于制作柔性打印件的材料选用建议。最后，我们展示了一系列3D打印的生物分子模型实例，以体现不同分子表达方式的应用效果。

<table><tbody><tr><td>&lt;强&gt;丝状结构&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>PLA 3D打印耗材（1.0 kg卷装）</td><td>Quantum3D 打印</td><td>http://quantum3dprinting.com/</td><td>质量非常好的PLA线材，强烈推荐</td></tr><tr><td>NinjaFlex 柔性 3D 打印耗材</td><td>Ninjatek</td><td>https://ninjatek.com/</td><td>高品质柔性长丝</td></tr><tr><td>PLA 丝材 PrimaValue &amp;和 PrimaSelect</td><td>3DPrima</td><td>http://3dprima.com/</td><td>高品质欧洲耗材供应商</td></tr><tr><td>&lt;强&gt;打印机&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Prusa I3 MK2 3D 打印机</td><td>Prusa Research</td><td>http://www.prusa3d.com/</td><td>一款流行的3D打印机</td></tr><tr><td>MakerGear M2 Revision E (M2e)</td><td>MakerGear</td><td>http://www.makergear.com/</td><td>闭源，超高精度打印机</td></tr><tr><td>Ultimaker 2</td><td>Ultimaker</td><td>https://ultimaker.com/</td><td>非常可靠的易用型打印机，在3Dhubs.com上获得最高评价</td></tr><tr><td>Flashforge Creator Pro</td><td>Flashforge</td><td>http://www.flashforge-usa.com</td><td>可靠的双挤出打印机，在 3Dhubs.com 上评分最高</td></tr><tr><td>&lt;强&gt;软件&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Simplify3D 切片软件</td><td>Simplify3D</td><td>https://www.simplify3d.com/</td><td>出色的切片软件</td></tr><tr><td>Netfabb</td><td>Autodesk</td><td>http://www.autodesk.com/education/free-software/netfabb</td><td>免费供教育用途的网片修复软件</td></tr><tr><td>嵌合体</td><td>加利福尼亚大学旧金山分校</td><td>https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/</td><td>嵌合体分子可视化工具</td></tr><tr><td>Meshmixer</td><td>Autodesk</td><td>http://www.meshmixer.com/</td><td>用于模型定位，但也具备其他功能</td></tr></tbody></table>

用于科研与教学的生物分子模型3d打印

3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy

构建生物大分子的实体三维（3D）模型可为研究其结构与功能关系提供独特贡献。目前，三维结构通常通过计算机屏幕这一二维且仅依赖视觉的媒介来感知。将数字化的三维分子数据转化为实体模型，可使信息通过更广泛的人类感官进行感知，包括直接的立体视觉、触觉以及交互操作。此类实体模型有助于获得新的科学见解，支持假设验证，并作为理解生物大分子功能相关概念的心理或感官锚点。近年来，消费级3D打印技术的进步首次使得以低成本、高效率的方式制造高质量且科学准确的生物分子模型成为可能，适用于多种分子表达形式。然而，在缺乏详细指导的情况下，虚拟模型的优化及其打印参数的设置往往困难且耗时。本文提供了一套使用开源或低成本软件，以及采用熔融长丝制造技术的低成本3D打印机，进行生物分子模型数字设计与实体制造的完整指南。

稳定且具有信息性的生物大分子3D可打印模型可通过以下方法制备：(i）加厚的键以提供稳定性，（ii）仔细选择能够提供最深入洞察力和稳定性的二级结构表示类型或样式，（iii）以多种分子表现形式打印生物分子，（iv) 使用一种细丝，使生物分子的全部或部分具有柔性，或（v）生成一个模块化的复杂组装结构（即， 可连接的片段
为了说明如何打印此类信息丰富且稳定的模型，我们聚焦于染色质的组成成分，并构建了一个染色质的假想模型。染色质是一种高度复杂的蛋白质-DNA组装结构。其基本的蛋白质亚基是组蛋白。共有四种组蛋白，每种均由一个螺旋-环-螺旋结构（称为“组蛋白折叠”）组成，其后连接一段延伸的α螺旋以及第二个“组蛋白折叠”。组蛋白的结构可使用“带状”表示法轻松呈现（图3A）。或者，也可仅用其表面来展示组蛋白结构（图3B）。四种组蛋白各有两个拷贝，共同组装形成球状的组蛋白八聚体。由于组蛋白八聚体体积较大，若以带状或棍状形式打印，所需尺寸过大，难以实现。因此，这种大型蛋白质复合物最适合采用表面表示法进行展示（图3C）。DNA围绕组蛋白八聚体盘绕，形成直径为10 nm的核小体核心颗粒。DNA的走向可通过打印两个独立模型，并使用柔性丝材代表DNA来最佳呈现（图3D）。核小体核心颗粒相互堆叠，形成更高层级的组装结构——直径为30 nm的“纤维”，即一种左手超螺旋结构。为了清晰展示10 nm的核小体核心颗粒如何堆叠形成30 nm的染色质结构，建议分别打印独立的“二核小体”颗粒（图3E），然后在打印完成后将其堆叠组装（图3F）。
一旦掌握了上述单次挤出表面和条带工作流程，便可尝试制作各种原子、分子及复合模型，如图所示。 图4例如，结合表面和带状表示法以区分复合物的不同部分（参见DNA聚合酶， 图4B）。通过使用双挤出打印机，可将两种长丝同时熔融成单个3D物体，从而制作出更具指导性和吸引力的模型（参见 图 4C）。或者，对模型的部分进行涂色（参见鸟嘌呤和α螺旋， 图 4A）。打印蛋白质复合物的各个亚基，例如钠离子通道，或更进一步，分别打印复合物的不同部分，之后将其组装成更大、多色的模型（参见HIV-抗体复合物和核糖体复合物）。 图4C）。与单丝打印模型相比，此类复合模型能够更好地展示功能特征。不同颜色可以突出显示糖基化与蛋白质（HIV 模型）或 RNA 与蛋白质（见核糖体模型）之间的差异。 图4C）。它们还可用于制作教育用3D拼图，例如抗体与HIV表面结合的模型（参见抗体结合的gp120） 图4C），其中仅有一种三维构型能使两部分紧密贴合。这些模型的打印说明见补充文件5。 &#160;此外，我们还提供了&#160;一个补充视频，展示了Fo/F1质子ATP合酶三维模型的构建过程。该模型被分部件打印并组装，能够重现该酶催化机制过程中发生的旋转运动机制。
<img alt="图1" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig1.jpg" /> 
图1. 制备和打印三维模型的工作流程。 图示为生成实物三维生物分子模型的各个阶段：(i) 模型制备，包括选择其表现形式；(ii) 打开保存的模型 .stl 文件，并使用切片软件处理该文件；(iii) 打印模型并选择材料或线材；最后，(iv) 进行打印后的处理步骤。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="图 2" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig2.jpg" /> 
图 2. 不同建模阶段中模型的多种呈现形式示意图。 上排：使用 Chimera 程序可视化展示的两个模型（泛素蛋白（PDB 1UBQ）和精氨酸）的常见表示方式。中排：由 Chimera 生成的 STL 模型所创建的打印路径，按泛素蛋白和精氨酸的特征类型着色（橙色：填充结构；深蓝色：外层壳体；浅蓝色：内层壳体）。下排： 泛素蛋白和精氨酸的最终打印成品。泛素蛋白的表面模型和两种带状模型以 Chimera 默认 STL 输出尺寸的 300% 进行打印（Chimera 默认尺寸为模型中 1 nm，打印尺寸为 1 cm），而精氨酸模型则以 1,000% 的尺寸打印。Chimera 默认的带状或棍状模型过细，难以正常打印，但加粗后的版本可稳定打印。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="图3" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig3.jpg" /> 
图3. 核小体案例研究。(A) 通过加粗“带状”表示的单个组蛋白H3蛋白结构，以300%比例打印。(B) 组蛋白H3蛋白的“表面”表示形式，以200%比例打印。(C) 组蛋白八聚体以100%比例打印。(D) 组蛋白八聚体（橙色）与柔性DNA（白色）形成的复合物，以100%比例打印。(E) 双核小体表面模型，采用默认探针半径生成，以100%比例打印。(F) 染色质“30 nm纤维”模型，通过手工堆叠单独打印的“10 nm”双核小体模型构建而成；其中表面模型使用3 Å探针半径渲染，分别以50%和25%尺寸打印，并用培乐多彩泥固定连接。所有3D打印模型均基于双核小体结构模型（PDB 1ZBB）生成。所有模型均可在NIH 3D打印交换平台11免费下载。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本</a>。
<img alt="图4" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig4.jpg" /> 
图4. 使用耗材打印机生产的3D打印模型示例。（A） 左图，六方冰晶中水分子的球棍模型（双丝打印）。中图，核苷酸（鸟嘌呤）模型。右图，仅显示氢键（黑色）的蛋白质α螺旋骨架模型。鸟嘌呤和α螺旋模型使用记号笔手动上色。（B） 左图，钠离子通道，由4个可连接的亚基组成（PDB 3E89）。中图，Plasmodium falciparum L-乳酸脱氢酶（PDB 1T2D），以带状形式打印。右图，DNA聚合酶活性位点模型（PDB 1KLN），其中DNA以表面形式显示，蛋白质以带状形式显示。（C） 左图，HIV脂质包膜与结合抗体（PDB 1IGT）的糖蛋白（PDB 5FUU），按15%比例打印。中图，糖蛋白抗原表面细节（放大至150%），抗体的可变区以带状形式显示（PDB 5FYJ）。右图，细菌70S核糖体（PDB 4V5D）在40%和20%比例下的模型。百分比指标准Chimera输出设置，其中100%表示分子中1 nm按1 mm打印。所有模型均可在NIH 3D打印交换平台11免费下载。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

生物大分子的物理模型有助于研究人员理解其结构与功能的关系，促进研究人员之间的交流，并在教学活动中作为教育工具。本文提供了使用熔融沉积成型桌面式3D打印机精确打印生物大分子模型的详细指导。

用于科研与教学的生物分子模型3D打印

生物大分子的物理三维（3D）模型构建可为结构与功能关系的研究提供独特贡献。3D ...

本实验方案的目的是利用经济型桌面3D打印机创建并打印结构精确的生物分子模型。该方法从结构数据出发，设计可3D打印的生物分子模型，并使用低成本3D打印机进行制造。通过3D打印生成实体模型，有助于对分子结构与功能进行直观互动与讨论。与模型的交互能够提供一种直观的感受，远超使用计算机所能达到的效果。首先，在 UCSF Chimera 中输入 PDB 编号，获取目标分子的 PDB 结构文件。接着，增加 ribbon 的直径，以便能够成功打印。在“工具”和“显示”下的功能区样式编辑器菜单中，根据结构类型，在“缩放”选项卡下将每个项目的高度更改为至少 0.7。为了获得更稳固的模型，显示氢键。然后将伪键样式更改为棍状，并将半径更改为0.6。接着，将当前显示的结构导出为3D文件。选择STL作为文件类型，保存模型。在打印之前仍需进行进一步处理。由于物体重叠，需要进行修复，这在复杂模型中非常常见。为此，请打开 Autodesk NetFabb，导入从 Chimera 导出的 STL 文件。在 NetFabb 中，打开“Extras”菜单，选择“Automatic Part Repair”，然后选择“Extended Repair”，并等待文件处理完成。对于小型模型，此过程仅需数秒；但对于大型模型，可能需要数分钟。模型处理完成后，保存结果。右键单击模型，然后选择“导出部件”并选择“导出为STL”，或使用“项目”功能并选择“将项目导出为STL”。程序会在文件名中添加“repaired”以区别于原始文件。可使用Autodesk Meshmixer自动定向STL模型，或在简化的3D软件中手动定向。最佳的打印方向将减少材料使用量，并降低打印失败的概率。对于自动定向，请打开 Meshmixer 并导入修复后的 STL 文件，然后选择“分析”和“定向”。将强度权重值调整为100。将支撑体积权重值调整为零。将支撑面积权重值调整为零，然后点击更新。然后旋转模型以尽量减少悬垂部分。要接受生成的方位，请打开下拉菜单并将结果导出为二进制 STL 文件。打开切片软件并选择该 STL 文件。双击模型并输入缩放因子。默认值为一千万，表示打印模型中的1厘米相当于分子中的1纳米。接下来，将带状图和球棍模型的表示尺寸至少放大至300%，以确保其足够大，便于打印。可根据需要调整表面尺寸。如有需要，调整模型的方向，然后为模型生成支撑结构。单击“支撑”图标并选择普通支撑。设定最大悬垂角度为50度，并根据模型特征的尺寸选择合适的支柱分辨率，例如本示例中的3毫米。然后单击“生成自动支撑”。这些结构将在打印过程中固定模型的分离部分和悬垂部分。接下来，编辑自动生成的支撑结构，以添加缺失的支撑并移除多余的支撑。首先，使用“添加支撑”工具确保所有悬垂特征均得到良好支撑，避免任何结构悬空。其次，使用“移除支撑”工具删除支撑结构及内部空腔，例如α螺旋内部或结合口袋内的部分。现在，添加一个打印流程，以为特定打印机和打印材料准备模型的 G 代码。按如下方式编辑打印流程设置：选择您将要使用的耗材类型。建议使用 PLA 材料。然后，添加裙边以确保材料初始流动良好。接着，添加筏板以固定模型及支撑结构。对于带状模型使用50%的填充率，对于表面模型使用20%的填充率。还有许多其他参数可调整以确保打印成功。详情请参考网站上的程序文档。接下来，单击“准备打印”，并选择合适的工艺。这将把模型切分为若干层，并构建打印喷嘴的运动路径。在轨迹打印输出中，通常可以发现可能导致打印失败的模型问题。始终检查生成的轨迹非常重要，如有必要，应重新调整您的模型。最后，仔细检查G代码轨迹是否存在错误。注意悬垂部分下方是否缺少支撑、过高而孤立可能被碰倒的结构、不希望出现的空腔，或过薄而无法打印的区域。如果打印路径显示正常，请将其保存为G代码文件。否则，请修改模型、方向或工艺参数，然后重试。首先，通过装入耗材并确保打印平台调平来准备打印机。接下来，在打印机上运行G代码，可通过计算机直接传输，或使用连接到打印机的SD卡。打印过程中需观察第一层是否成功完成，若出现任何错误，应立即中止打印。桌面级3D打印机容易发生故障，这对新用户而言可能令人沮丧。我们在附录中列出了常见问题及解决方案，并建议读者利用在线资源对打印机进行故障排查。打印完成后，让模型冷却至室温，然后通过轻轻侧向拉动将其从构建板上取下。如果筏式支撑与构建板粘附较紧，可使用锋利的边缘小心将其撬下。接下来，使用普通钳子从模型上移除支撑结构。大多数支撑结构可用普通钳子去除，而对于难以触及或连接在精细结构上的部分，可使用剪切钳进行去除。泛素的带状模型展示了α螺旋和β折叠的结构，以及氢键的位置。相比之下，也可以制作泛素的表面模型。以原子形式展示的α螺旋模型揭示了氨基酸残基如何通过氢键连接形成螺旋状的二级结构。组蛋白H3蛋白模型可用带状和表面两种形式呈现。这些模型揭示了多个组蛋白如何相互作用形成更大的复合物。组蛋白蛋白的八聚体构成核小体的核心，展示了组蛋白亚基的四级结构。缠绕在组蛋白八聚体上的DNA形成了核小体核心颗粒，该DNA以柔性丝状结构打印，可被移除、扭曲和盘绕。最后，双核小体表面模型展示了核小体核心颗粒如何像串珠一样连接成链。多个双核小体可堆叠排列，以揭示染色质纤维的螺旋结构。与数字模型相比，生物大分子的物理模型具有优势。它们可以被操作、指向或在研究人员与学生之间传递。这些操作有助于思想的交流，或帮助指出分子的特定结构特征。由于分子模型具有复杂的三维几何结构，其打印可能具有挑战性，可能需要经过多次尝试与调整。本方案将帮助使用者解决该流程中一些最常见的问题。通过遵循本方案，您将能够创建生物大分子的数字化三维模型，处理三维文件，并使用熔融沉积成型3D打印机制造出实体模型。

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用于科研与教学的生物分子模型3D打印

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