Methodenartikel

3D Printing of Biomolecular Modelle für Forschung und Pädagogik

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DOI:

10.3791/55427

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13. März 2017

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1Department of Physics, Brandeis University, 2Bioinformatics and Computational Biosciences Branch (BCBB), NIH/NIAID/OD/OSMO/OCICB, 3Library/LTS/MakerLab, Brandeis University, 4Interfaculty Institute of Biochemistry (IFIB), University of Tübingen, 5Winship Cancer Institute, Emory University School of Medicine

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Physikalische Modelle von Biomolekülen können dem Forscher das Verständnis ihrer Struktur-Funktion erleichtern, die Kommunikation zwischen Forschern erleichtern und als pädagogisches Werkzeug in pädagogischen Bemühungen dienen. Hier bieten wir eine detaillierte Anleitung für den 3D-Druck von genauen Modellen von Biomolekülen mit Desktop-3D-Druckern für die Herstellung von Schmelzfilamenten.

Zusammenfassung

Die Konstruktion von physikalischen dreidimensionalen (3D) Modellen von Biomolekülen kann in einzigartiger Weise zur Untersuchung der Struktur-Funktion beitragen relationship. 3D Strukturen am häufigsten mit dem zweidimensionalen und ausschließlich visuellen Medium des Computerbildschirms wahrgenommen werden. Die Umwandlung digitaler molekularer 3D-Daten in reale Objekte ermöglicht die Wahrnehmung von Informationen über ein erweitertes Spektrum menschlicher Sinne, einschließlich direktem stereoskopischem Sehen, Berührung und Interaktion. Solche greifbaren Modelle ermöglichen neue Erkenntnisse, ermöglichen das Testen von Hypothesen und dienen als psychologische oder sensorische Anker für konzeptionelle Informationen über die Funktionen von Biomolekülen. Jüngste Fortschritte in der 3D-Drucktechnologie für Verbraucher ermöglichen zum ersten Mal die kostengünstige Herstellung hochwertiger und wissenschaftlich genauer Modelle von Biomolekülen in einer Vielzahl von molekularen Darstellungen. Die Optimierung des virtuellen Modells und seiner Druckparameter ist jedoch ohne detaillierte Anleitung schwierig und zeitaufwändig. Hier stellen wir einen Leitfaden für das digitale Design und die physische Herstellung von Biomolekülmodellen für Forschung und Lehre unter Verwendung von Open-Source- oder kostengünstiger Software und kostengünstigen 3D-Druckern mit der Technologie der Schmelzfilamentherstellung zur Verfügung.

Einleitung

Ein gründliches Verständnis der Funktion und Aktivität eines Biomoleküls erfordert die Bestimmung der dreidimensionalen (3D) Struktur. Dies wird routinemßig Röntgenkristallographie, NMR, Elektronenmikroskopie oder erreicht werden. 3D - Strukturen können durch die Wahrnehmung von Modellen, oder genaue ähnliche Gegenstände , die Strukturen , die sie 1 darstellen zu verstehen. die sich daraus ergebenden Hypothesen zur Funktion von Biomolekülen Historisch gesehen, war der Bau von physischen 3D-Modelle, die für die Ermittler zu validieren, zu erforschen und zu kommunizieren. Diese Modelle, wie Watson-Crick - DNA - Doppelhelix und Pauling Alpha - Helix, sofern einzigartigen Einblick in Struktur-Funktionsbeziehungen und waren entscheidend für unsere frühen Verständnis von Nukleinsäure und Protein - Struktur-Funktions - 2, 3, 4. Obwohl komplexe Protein- und Nukleinsäure-Modelle erstellt werden können, dieZeit und Kosten ein physikalisches Modell des Aufbaus wurde schließlich durch die relative Leichtigkeit der rechnergestützten Molekülvisualisierungs überwog.

Die Entwicklung von 3D - Druck, auch als additive Fertigung bekannt, aktiviert wieder den Aufbau physikalischer Modelle von Biomolekülen 5. 3D-Drucken ist der Prozeß von einer digitalen Datei durch die aufeinanderfolgende Zugabe von Schichten eines Materials (e) eine physikalische, 3D-Objekts zur Herstellung. Eine Vielfalt von Mechanismen sind in diesem Verfahren verwendet. Bis vor kurzem verwendeten Maschinen physikalische Modelle von Biomolekülen zu erzeugen, zu teuer waren weit verbreitet werden. Doch in den letzten zehn Jahren, 3D - Drucktechnologie, verschmolzenen Glühfaden Herstellung (FFF) hat insbesondere deutlich fortgeschritten, zugänglich für den Verbraucher 6 zu machen. FFF-Drucker sind jetzt allgemein verfügbar in Schulen, Bibliotheken, Universitäten und Laboratorien. Je größer die Erschwinglichkeit und Zugänglichkeit der 3D-Drucktechnologiehat es ermöglicht , digitale 3D - Modelle biomolekularen in genaue, physische 3D - Modelle biomolekularen 7, 8, 9 zu konvertieren. Solche Modelle sind nicht nur einfache Darstellungen von einzelnen Biomolekülen, sondern auch komplexe makromolekularen Anordnungen, wie die Ribosomen und Virus Kapsidstrukturen. Jedoch stellt das Verfahren zum Drucken einzelner Biomolekülen und makromolekularen Anordnungen mehrere Herausforderungen, insbesondere wenn thermoplastische Extrusionsverfahren. Insbesondere Darstellungen von Biomolekülen haben oft komplexe Geometrien, die schwierig für Drucker zu produzieren, und die Erstellung und Verarbeitung von digitalen Modellen, die Fähigkeit erfolgreich erfordert mit Molecular Modelling gedruckt werden, 3D-Modellierung und 3D-Druckersoftware.

Der 3D-Workflow zum Drucken eines Biomoleküls tritt im Großen und Ganzen in vier Schritten: (1) eine biomolekulare Modell aus seiner Koordinatendatei für den 3D-Druck hergestellt wird;(2) Importieren der biomolekularen Modell in eine "Slicing" Software-Segment das Modell für den Drucker und eine Trägerstruktur zu erzeugen, die physisch die biomolekulare Modell stützen wird; (3) Auswahl des richtigen Faden und Drucken des 3D-Modells; und (4) Postproduktion Verarbeitungsschritte, einschließlich Entfernen Trägermaterial aus dem Modell (Abbildung 1 und 2). Der erste Schritt in diesem Prozess, rechnerisch die Datei des Biomoleküls Koordinaten Manipulieren, ist kritisch. In diesem Stadium kann das Benutzermodell Verstärkungen in Form von Streben bauen sowie entfernen Strukturen, die Fremd sind, was dem Benutzer angezeigt wählt. Darüber hinaus ist die Wahl der Darstellung in diesem Stadium: ob alle oder ein Teil der Biomoleküle als Oberflächendarstellung, Bänder und / oder einzelne Atome anzuzeigen. Wenn die notwendigen Additionen und / oder Subtraktionen von Inhalten hergestellt werden und die Darstellung ausgewählt wird, wird die Struktur als 3D-mo gespeichertendel-Datei. Als nächstes wird die Datei in einem zweiten Software-Programm geöffnet, um das Modell in eine 3D-Druckdatei zu konvertieren, die Schicht für Schicht gedruckt werden kann, in eine Kunststoff Replik des Biomoleküls.

Das Ziel unseres Protokolls ist die Herstellung von molekularen Modellen zugänglich für die große Anzahl von Benutzern zu machen, die den Zugang zu FFF-Drucker haben, aber nicht zu den teureren 3D-Drucktechnologien. Hier bieten wir eine Führung für den 3D-Druck von Biomolekülen aus 3D molekularen Daten, mit Methoden, die für die FFF Druck optimiert sind. Wir Detail, wie die Bedruckbarkeit von komplexen biomolekularen Strukturen zu maximieren und die einfache Nachbearbeitung von physikalischen Modellen gewährleisten. Die Eigenschaften von mehreren gemeinsamen Druckmaterialien oder Filamente werden verglichen und Empfehlungen zu ihrer Verwendung flexibel Ausdrucke zu erstellen sind vorhanden. Schließlich zeigen wir eine Reihe von Beispielen für 3D-gedruckten biomolekularen Modelle, die die Verwendung von verschiedenen Molekular Darstellungen demonstrieren.

Protokoll

1. Vorbereiten 3D-Modell-Dateien zum Drucken

HINWEIS: 3D - Modell - Dateien von Biomolekülen können durch zwei Verfahren erzeugt werden: (1) online mit den automatisierten Werkzeugen des NIH 3D : Exchange 10, oder (2) lokal mit Molecular Modelling - Software. Automatisch generierte Modelle werden die Prozesse in diesem Protokoll detailliert verwenden druckbare Darstellungen zu erstellen, aber Einzelheiten der Darstellung nicht vom Benutzer ausgewählt werden können. Im Gegensatz dazu ermöglicht individuelle Modellgeneration der Benutzer die Kontrolle über die visuellen Eigenschaften des Biomoleküls. Einzelne Atome, Reste und Bindungen können angezeigt werden, und der Umfang der Bänder, Anleihen und Streben angegeben werden können. Die NIH 3D : Exchange automatisierte Tools und das Protokoll unten verwenden beide UCSF Chimera, eine freie und Open - Source - Molecular Modelling - Software - Paket 11 , die für den Export von 3D - Dateien von Biomolekülen geeignet ist. Alle 3D-Dateien, die von Chimera Verwendung Ångström exportiert fürdie Entfernungseinheit. Wenn diese Dateien in eine Slicing-Software bei 1 mm / Entfernungseinheit importiert werden, werden die Modelle auf 10 Millionen fache Vergrößerung skaliert werden.

  1. Automatisch eine mit der NIH 3D : Exchange druckbare 3D - Modell erzeugen
    HINWEIS: Die NIH 3D: Exchange läuft Chimera Skripte, die den in den Schritten 1,2-1,3 beschriebenen Schritten ähneln.
    1. Suchen Sie die molekulare Datendatei der biomolekularen Struktur aus einer Datenbank-entweder HVE EMDB oder PubChem (Ergänzung 1.1) zu drucken. Notieren Sie die Zugangsnummer für das Biomolekül von Interesse.
    2. Navigieren Sie zu dem NIH 3D-Drucken Exchange (3dprint.nih.gov) und erstellen Sie ein neues Benutzerkonto, wenn ein erstes Mal benutzen.
    3. Navigieren Sie zu dem "Quick - Senden" -Funktion, geben Sie das Biomolekül Zugangscode, und klicken Sie auf Absenden.
    4. Nach dem Modell des Biomoleküls zu erzeugen, auf die Modellseite navigieren und das Biomolekül STL - Datei in "Band herunterladen"Oder" Oberfläche "Darstellung. Fahren Sie mit Abschnitt 2 des Protokolls.
  2. Erstellen eines benutzerdefinierten molekulares Modell mit UCSF Chimera
    HINWEIS: Nähere Einzelheiten zur Verwendung von Chimera für 3D-Modelle zu machen, einschließlich der Kommandozeilen-Äquivalente für viele Schritte können in Ergänzung 1.2.
    1. Downloaden und installieren Sie UCSF Chimera (https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html).
    2. Mit Chimera, rufen Sie die molekularen Daten-Datei, indem Sie eine der folgenden Aktionen ausführen:
      1. Mit Hilfe der Symbolleiste Befehl Datei> Fetch von ID, geben Sie einen PubChem, PDB oder EMDB Zugangscode die Datei direkt aus der Datenbank abgerufen werden .
      2. Die Symbolleiste Befehl Datei> Öffnen, Abrufen einer lokalen molekularen Datendatei; Standardmäßig wird das Molekül Bänder für Protein und Nukleinsäure zeigen, Atome und Bindungen für Liganden und Reste innerhalb von 5 Å eines ligand.
      3. Mit Hilfe der Chimera - Befehlszeile aufgerufen, von Favoriten gehen> Kommandozeile, verwenden Sie den Befehl Öffnen und geben Sie den Zugangscode.
  3. Vorbereiten eines 3D-druckbare Darstellung eines Biomoleküls
    HINWEIS: Es gibt mehrere Möglichkeiten, dass eine biomolekulare Struktur angezeigt werden kann oder vertreten sind. Die Auswahl einer bestimmten Darstellung für den Druck gemacht werden sollte auf, wie am besten den größten Einblick in die Biomolekül-Struktur-Funktion bereitzustellen. Häufig verwendete Darstellungen sind "Bänder", "Oberfläche" und "Atome / Anleihen." Allerdings ist es am besten mit einer Kombination aus diesen Darstellungen zu erkunden wählen Seitenketten oder Liganden angezeigt werden soll. Darüber hinaus sollte die 3D-gedruckte Struktur robust genug sein, um gedruckt zu werden und brechen nicht bei der Handhabung. Daher ist es wichtig, dies zu berücksichtigen, wenn eine Darstellung oder Anzeige einer Seitenkette auswählen. also betrachten Stützstrukturen einzuführen, oder "Streben". Schließlich, wenn das Modell gedruckt wird, wird es wichtig sein, es zu skalieren, so dass alle Funktionen einwandfrei gedruckt werden. So sind größere Biomoleküle können in Bändern oder Atom Darstellungen ganz Druck nicht durchführbar aufgrund der Maßstab, an dem diese gedruckt werden müssten.
    1. Erstellen eines 3D-druckbare Darstellung in "Bänder"
      Hinweis: Weitere Einzelheiten können in Ergänzung 1.2.1 zu finden.
      1. Wählen Sie das sichtbare "Lösungsmittel" , die Ionen enthält, unter Verwendung von Select> Struktur> Lösungsmittel.
      2. Ausblenden der ausgewählten "Lösungsmittel" mit Aktionen> Atome / Anleihen> ausblenden.
      3. Verdicken den Durchmesser des Bandes, so daß es erfolgreich gedruckt werden kann. Verwenden Sie das Band Style Editor - Menü unter Extras> Darstellung.
        HINWEIS: Suggested Parameter für einen ersten Versuch: Unter der Registerkarte Skalierung, die Höhe von mindestens 0,7 zu jedem Punkt zu ändern und die Breite jeder Einstellung zumindest auf die folgenden: Coil 0,7; Helix 1.4; Blatt: 1,4; Pfeil (Basis): 2.1; Pfeil (Spitze) 0,7; Nucleic 1,0.
      4. Wenn eine Nukleinsäure vorhanden ist, verändern die Basisdarstellung mit Aktionen> Atome / Anleihen> Nukleotid Objekte> Einstellungen. Ändern Sie den Zucker / Basisanzeige Leiter und die Sprosse Radius bis 0,6.
      5. Optional: Gehen 1.3.3 zu Schritt Unterstützungsstrukturen einzuführen.
    2. Generieren Sie eine 3D-printable "Oberfläche" Darstellung des Moleküls
      HINWEIS: Weitere Einzelheiten können in Ergänzung 1.2.2 zu finden.
      1. Wie bitte vorherigen Darstellungen. Verwenden Sie Aktionen> Atome / Anleihen> auszublenden und Aktionen> Ribbons>verstecken.
      2. Wenn Atome als Kugeln machen, stellen Sie den Radius durch die gewünschte Atom Auswahl (en) und zu den Aktionen gehen> Menü prüfen.
        HINWEIS: Atomradius den Standard ändern können es einfacher machen verschiedene Arten von Atomen in der gedruckten Modell zu unterscheiden.
      3. Ausblenden alle angezeigten Bänder, Atome, Bindungen und pseudobonds durch Aktionen> Atome / Anleihen mit> Verstecken und Aktionen> Bänder> Ausblenden.
      4. Wenn Oberflächendetails gewünscht wird, Wasserstoffatome hinzufügen, so dass die Oberfläche Berechnung genauer ist. Verwenden Sie Tools> Struktur Bearbeiten> addh.
      5. Erzeugen Sie eine Oberfläche von surf # 0 Raster 0,5 in der Befehlszeile eingeben.
    3. Generieren Sie eine 3D-druckbare Darstellung in "Atome / Anleihen."
      HINWEIS: Weitere Einzelheiten können in Ergänzung 1.2.3 zu finden.
      1. Blenden Sie das Lösungsmittel. BenutzenWählen Sie > Struktur> Lösungsmittel und dann Aktionen> Atome / Anleihen> auszublenden.
      2. Bestimmte Reste und / oder Liganden in der Darstellung als Atome und Bindungen durch die Auswahl und zeigt sie mit Aktionen> Atome / Anleihen> zeigen. Die Art und Weise Atome dargestellt werden kann durch die Auswahl - Stick, Ball & Stick, oder eine Kugel in den Aktionen> Atome / Anleihen Dropdown geändert werden.
      3. Nach der Auswahl, erhöhen Sie den Radius des Sticks oder Kugel-Stab - Darstellungen mit den Aktionen> Menü prüfen.
      4. Optional: Gehen 1.3.4 zu Schritt Unterstützungsstrukturen einzuführen.
  4. Hinzufügen strukturelle Unterstützung zu einem 3D-druckbare Darstellung
    HINWEIS: Weitere Einzelheiten finden Sie in Ergänzungen 1.2.4 und 1.2.5 zu finden. In diesem Stadium können Streben mit dem 3D-Modell hinzugefügt werden,. Es ist für die alpha-Helices und beta-Faltblatt - Sekundärstrukturen umfassen Rückgrat Wasserstoffbrückenbindungen für die Stabilität empfohlen, obwohl kleine Proteine (dh weniger als 50 Reste) oft als ein Band mit einer typischen Dicke dargestellt sind , und ohne eine solche Unterstützung Druck gut kann. Jedoch für größere Proteine, auch unter Zusatz von Wasserstoffbrückenbindungen sind viele ribbon Modelle noch zu empfindlich erfolgreich gedruckt werden. Struts sind physische Verbindungen innerhalb des Modells, das auf die mechanische Festigkeit keine molekulare Eigenschaft widerspiegeln, sondern fügen, so dass Druck zu erleichtern und Handhabung. Chimera bietet einen schnellen Weg , um automatisch Streben auf ein Modell mit der Strebe Befehl über die Befehlszeile hinzufügen und einzelnen Streben auch manuell sein kann angezeigt , um die Entfernungen Werkzeug.
    1. Anzeige Wasserstoffbrücken zu einem stabileren Druck vorzubereiten. Verwenden Sie das Menü Extras> Strukturanalyse> FindHBond.
    2. Verwenden Sie Tools> Allgemein Controls> Pseudobindungs Gremium die Wasserstoffbrückenbindungen zu ändern. Wählen Sie die "Wasserstoffbindung" pseudobonds, klicken Sie auf die Schaltfläche Attribute , und überprüfen Sie die "Component Pseudobindungs Attribute" -Box. In der Bodenplatte, ändern aus Draht die Bindung Stil zu halten und den Radius Wert von 0,2 bis 0,6.
    3. Optional: Fügen Sie Trägerstruktur (en), oder "Streben" , die Streben Befehl. Blau Streben mit einem Radius von 1,0 Å in dem Kohlenstoff Alpha von jeweils 70 Resten weiter als 8 Å auseinander nicht zu erstellen, verwenden Sie den Befehl: Streben @ca Länge 8 Schleife 70 Farbe blau rad 1.0 fattenRibbon falsch.
    4. Optional: Um einzelne Streben mit dem Entfernungen Werkzeug erstellen, wählen Sie zwei Atome durch Shift-Strg-Klick auf jeden von ihnen, verwenden Werkzeuge> Strukturanalyse> Entfernungen, und klicken Sie auf Erstellen eines Pseudobindungs hinzuzufügen. Navigate an die Pseudobindungsplatte, wählen Sie die "Entfernung Monitor" pseudobonds, klicken Sie auf die Schaltfläche Attribute, und überprüfen Sie die "Component Pseudobindungs Attribute" -Box. In der Bodenplatte, ändern aus Draht die Bindung Stil zu halten und den Radius Wert von 0,2 bis 0,01.
    5. Exportieren der Chimera-Rendering als STL 3D-Modell-Datei
      1. Sobald die gewünschte Darstellung erhalten worden ist , verwenden Sie Datei> Exportieren Szene die 3D - Datei zu exportieren. Wählen Sie STL als Dateityp und Namen und das Modell speichern. Hinweis: Diese STL-Datei repariert werden kann, orientiert und gedruckt, wie in Abschnitt 2 des Protokolls beschrieben.

2. Prozess STL-Dateien zum Drucken

  1. Reparatur von STL - Dateien mit Autodesk Netfabb
    HINWEIS: Ein Modell kann repariert werden, wenn es mehrere überlappende Stücke mit inte enthältrsecting Geometrien, die mit Band Modelle und Atommodelle im Allgemeinen der Fall ist. Geometrie überlappend kann zu Fehlern führen, wenn die Datei durch eine Slicing-Software gelesen wird, als Kreuzungsbereichen wie das Äußere des Modells interpretiert werden kann. Weitere Einzelheiten finden Sie in Ergänzung 2.1.
    1. Downloaden und die Standardversion der Software zu installieren.
    2. Öffnen Sie das Programm und importieren Sie die STL-Datei repariert werden. Wenn es Probleme mit dem Netz sind, wird ein Warnsignal angezeigt.
    3. Verwenden Sie Extras> Automatische Teil - Reparatur, wählen Sie erweiterte Reparatur, und warten Sie, während die Datei bearbeitet wird; für kleine Modelle, wird diese Sekunden in Anspruch nehmen, aber für große Modelle, kann es einige Minuten dauern.
    4. Rechtsklick auf das Modell und wählen Sie Exportieren Teil> Als STL oder verwenden Sie Projekt> Projekt exportieren als STL das reparierte Modell zu speichern; das Programm wird "repariert" , um das AddDateinamen, um es von der Originaldatei.
  2. Orient - Modelle für den Druck mit Autodesk Meshmixer
    HINWEIS: Die optimale Ausrichtung eines Modells vor dem Aufschneiden die Anzahl der Überhang zu verringern und damit die Anzahl der Träger während des Druckvorgangs erforderlich ist. Ein optimal orientiertes Modell druckt schneller, weniger Material und weniger wahrscheinlich während des Druckens zu scheitern. Weitere Einzelheiten finden Sie in Ergänzung 2.2.
    1. Herunterladen und Installieren von Software
    2. Importieren Sie die reparierte STL-Datei in das Programm.
    3. Wählen Sie Analyse> Ausrichtung.
    4. Passen Sie die Stärke Gewicht Wert auf 100, Unterstützung Vol Gewichtswert auf 0, Support-Bereich Gewicht auf 0 und dann das Modell zu aktualisieren. Dieser dreht sich um das Modell die Anzahl von Überhängen zu minimieren. Akzeptieren Sie die resultierende Ausrichtung.
    5. Verwenden Sie Datei> Exportieren und wählen Sie binäre STL - Datei aus dem Dropdown - Menü. Speicher die Datei.

3. Schneiden und Drucken

  1. Wählen Sie ein Fadenmaterial
    HINWEIS: Die Auswahl eines Druckmaterial sollte vor der Verwendung eines Slicing-Software durchgeführt werden, da die Druckeinstellungen für das ausgewählte Material unterscheiden. Die drei Materialien, die häufig verwendet werden, sind Polymilchsäure (PLA), thermoplastische Elastomere (TPE) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS). PLA ist in der Regel die effektivste Material für detaillierte molekulare Modelle drucken, wie es schnell abkühlt, haftet gut an der Build-Platte, und nur selten verzieht. TPE ist ein Material ähnlich PLA und kann verwendet werden flexible Modelle zu erzeugen. Es ist für komplementäre Protein Oberflächenmodelle oder Protein Band Modelle empfohlen. ABS ist stärker und flexibler als PLA, aber es produziert potentiell gefährliche Partikel während 12 gedruckt wird . Es ist im Allgemeinen nicht für den Druck Molekülmodelle, wie die höheren Materialtemperatur führt zu les empfohlens präzise Produktion von kleinen Features. Weitere Einzelheiten finden Sie in Ergänzung 3.1.
    1. Drucken mit Polymilchsäure (PLA).
      1. Stellen Sie die Düsentemperatur auf 210 ° C. Um die Haftung des Teils an das Bett zu gewährleisten, stellen Sie die Betttemperatur auf 70 ° C. Wenn eine unbeheizte Bett verwenden, decken Sie es mit Malerband. Verwenden Sie eine aktive Kühlung.
    2. Drucken mit thermoplastischen Elastomeren (TPE)
      1. Wiederholen Sie Schritt 3.1.1.1. Eingestellt, die Druckgeschwindigkeit auf 1200 mm / min oder weniger.
    3. Drucken mit Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)
      1. Verwenden Sie keine Kühlung. Stellen Sie die Düsentemperatur auf 240 ° C. Um die Haftung des Teils an das Bett zu gewährleisten, stellen Sie die Betttemperatur auf 110 ° C.
  2. Erzeugen Sie G-Code
    HINWEIS: Das Modell wird auf 10 Millionen fache Vergrößerung standardmäßig importiert werden. Ribbon Modelle sollten auf 20 Millionen Mal (200%) oder größer skaliert werden. Flächenmodelle print gut bei 100% oder mehr. Weitere Einzelheiten finden Sie in Ergänzung 3.2.
    1. Herunterladen und Drucken von Slicing-Software installieren.
    2. Verwenden Sie Datei> Import Modell und wählen Sie die repariert und STL - Datei orientiert.
    3. Skalieren Sie das Modell mit einem Doppelklick auf das Modell und die Eingabe der Skalierungsfaktor in dem Fenster auf der rechten Seite des Bildschirms.
    4. Generieren Unterstützungsstrukturen für das Modell. Wählen Sie das Support-Symbol und verwenden normale Stützen, mit einer Säule Auflösung von 1 und einem maximalen Böschungswinkel von 50 °.
    5. Klicken, um alle Träger zu erzeugen. Hinzufügen oder Trägerstruktur Features entfernen, um Unterstützung Platzierung anpassen.
    6. Wählen Sie einen Prozess und klicken Sie auf Bearbeiten Prozesseinstellungen.
    7. Konfigurieren Sie das Profil für den Drucker und Material, das verwendet wird.
      HINWEIS: Ein Floß und Krempe aufgenommen werden sollten, und Band-Modelle sollten bei 100% Füllung gedruckt werden. Detaillierte Profileinstellungen können in suppleme findennt 3.2.
    8. Konvertieren Sie das Modell in einen G-Code-Datei, die vom Drucker gelesen werden kann. Klicken Sie auf die "Vorbereitung zum Drucken" und wählen Sie den Prozess mit dem Drucker / Materialprofil. Beachten Sie den Pfad des Druckers Düse und untersuchen Sie ihn auf Fehler, die ein Druck zum Scheitern führen können.
      HINWEIS: Fehler, die der Druck scheitern lassen kann, zählen das Fehlen von Stützen unter Überhängen, unerwünschte Hohlräume, fehlende Schichten oder Bereiche, die zu dünn zu drucken sind.
    9. Speichern Sie die G-Code-Datei auf dem Desktop oder direkt auf einer SD-Karte.
  3. Betreiben Sie den Drucker
    HINWEIS: Jeder Drucker machen oder Modell ist einzigartig, und seine Herstellung und Kalibrierung für den Druck entsprechend variieren. Lesen Sie im Handbuch für den Drucker.
    1. Stellen Sie sicher, dass die Workstation an den Drucker oder die SD-Karte mit Gcode im Drucker ist verbunden ist.
    2. Bereiten Sie den Drucker durch den Glühfaden Laden und dafür zu sorgen, dass das Bettniveau ist;Anweisungen zu diesen Verfahren finden Sie im Handbuch des Druckers.
    3. Starten Sie den Druck aus dem Computer oder lokal von einer SD-Karte über das Druckermenü.
    4. Sehen Sie den Druck, bis eine erste Schicht erfolgreich abgeschlossen wurde. Wenn es irgendwelche Fehler in der ersten Schicht sind, abbrechen und starten Sie den Druck.

4. Post-Produktion Verarbeitung

HINWEIS: Pflege sollte natürlich auf diese genommen werden, die endgültige, Bühne. Unterstützende Strukturen auf dem Modell entfernt werden sollte. Dies wird im allgemeinen manuell durchgeführt, obwohl alternative Ansätze, wie die Verwendung von einem auflösbaren Unterstützung, verwendet werden; siehe Anhang 4.

  1. Nehmen Sie den Druck aus dem Build Platte vorsichtig seitlich herausziehen. Wenn das Floß stark an der Build-Platte hält, trennen Sie sie durch eine scharfe Kante zwischen ihnen stecken.
  2. Entfernen Sie die Tragstrukturen aus dem Modell. Viele Träger können von Hand entfernt werden, indem man sie von dem Teil zu brechen und die raft. Flexible Modelle können von dem Teil durch Ziehen sie weg abgelöst werden. Für Träger, die schwer zu erreichen sind oder an empfindlichen Strukturen verbunden ist, mit einer Zange Schneiden um den Punkt zu befestigen, wo die Unterstützung für den Teil verbindet.

Ergebnisse

Stabile und informative 3D druckbare Modelle von Biomolekülen können hergestellt werden durch : (i) Verdickungs Bindungen Stabilität zu sorgen, (ii) die Sekundärstruktur Darstellungsart oder Stil sorgfältig ausgewählt, die die größte Einsicht und Stabilität bieten würde, (iii) den Druck des Biomoleküls in mehr als eine molekulare Darstellung, (iv) mit einem Faden, der alle oder einen Teil eines Biomoleküls flexibel, oder (v) Erzeugen einer komplexen Baugruppe , die modular aufgebaut ist (dh in anschließbaren Stück) machen wird.

Um darzustellen, wie solche informativ und stabile Modelle zu drucken, konzentrierten wir uns auf die Komponenten des Chromatins und auf ein hypothetisches Modell des Chromatins zu erzeugen. Chromatin ist ein sehr komplexes Protein-DNA-Baugruppe. Die grundlegende Protein-Untereinheit des Chromatins ist das Histon-Protein. Es gibt vier Histon-Proteine, die jeweils aus einer Wendel-loop-Helix (a "Histon-fold"), gefolgt von einer ausgedehnten alpha-Helix und einem zweiten "Histon-fold". Histone Proteinstruktur kann leicht durch die Verwendung einer "Band" Darstellung (3A) hergestellt werden. Alternativ kann die Histon - Protein - Struktur nur seine Oberfläche unter Verwendung angezeigt (3B). Es gibt zwei Kopien von jedem der vier Histon-Proteine, die eine globuläre Histonoktamer zu bilden zubauen. Die Histon-Octamer ist zu groß, vollständig als Band oder Stab-Darstellung, aufgrund der größeren Maßstab, in dem diese Merkmale gedruckt werden müssen, zu drucken. Somit kann solch ein großes Protein Anordnung wird am besten unter Verwendung angezeigten Darstellung Fläche (3C). DNA wird einen Weg um die Histonoktamer Diagramm, das einen 10 nm-Durchmesser Nukleosom Kernteilchen zu bilden. Der Weg der DNA kann am besten durch Drucken von zwei separaten Modellen und unter Verwendung eines flexiblen Faden für die DNA (3D) angezeigt werden. Nucleosome Kernteilchen stapelnauf einander ein höherer Ordnung Montage, eine 30 nm Durchmesser "Faser", eine linkshändige suprahelical Struktur zu bilden. Um am besten zeigen , wie die 10-nm - Nukleosomen Kernteilchen stapeln kann eine 30-nm Chromatin, Druck individuelle "di-Nukleosomen" Teilchen (3E) zu bilden , und dann stapeln sie nach dem Drucken (Abbildung 3F).

Sobald beherrscht die einzelnen Extrusions Oberfläche und Band Workflow oben beschrieben, zu erforschen macht eine Reihe von atomaren, molekularen und Composite - Modelle, wie in Abbildung 4 dargestellt. Zum Beispiel kombinieren Oberfläche und Band Darstellungen auseinander verschiedene Teile eines Komplexes zu setzen (siehe DNA - Polymerase, 4B). Machen Sie mehr lehrreich und ansprechend Modelle durch eine Doppelextrusion Drucker verwenden , die zwei Fäden gleichzeitig in einem einzigen 3D - Objekt schmelzen können (siehe 4C). Alternativ Lackteile der Modelle (siehe guanine und die alpha - Helix, 4A). Druck- und montieren die Untereinheiten eines Proteinkomplexes, wie die Natriumkanal oder er sogar noch weiter durch Drucken verschiedene Teile eines komplexen und Zusammenbauen sie später in eine größere, multi-Farbmodell (siehe die HIV-Antikörper und ribosomalen Komplexe, Figure 4C). Solche Verbundmodelle sind bessere funktionelle Eigenschaften im Vergleich zu Einzelfaden Drucke zeigen können. Verschiedene Farben können markieren, zum Beispiel Glykosylierung im Vergleich zu Protein (HIV - Modell) oder RNA gegen Protein (siehe Ribosom - Modell, 4C). Sie erlauben auch für die Schaffung von Bildungs - 3D - Puzzles, wie der Antikörper an das HIV - Oberflächenbindung (siehe gp120 gebunden durch Antikörper, 4C), wo nur eine 3D - Konfiguration eine enge Passung der beiden Teile gibt. Hinweise zum Drucken diese Modelle können in Ergänzung 5. Zusätzlich zu finden, haben wir ein zusätzliches Video, welches den Aufbau eines 3D-Modells von th bereitgestellte Fo / F1 proton ATP-Synthase, die in Stücke und montiert in einer solchen Weise gedruckt wurde, so dass es den Drehmechanismus rekapitulieren kann, die während dieser katalytischen Mechanismus auftritt Enzymen.

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Abbildung 1. Workflow - Vorbereitung und ein 3D - Modell zu drucken. Die Stufen bei der Herstellung eines physischen 3D biomolekularen Druck dargestellt: (i) die Herstellung des Modells, einschließlich der Auswahl der Darstellung; (Ii) eine gespeicherte .stl - Datei des Modells Öffnen und Verarbeiten der Datei Slicing - Software; (Iii) den Druck des Modells und die Wahl des Materials oder des Filaments; und schließlich (iv) Durchführen der Post-Produktionsschritte.Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 2. Visuals verschiedener Darstellungen von Modellen in verschiedenen Stadien der Vorbereitung. Obere Reihe: Gemeinsame Darstellungen von zwei Modellen (Ubiquitin (PDB 1UBQ) und Arginin) visualisiert das Programm Chimera verwenden. Mittlere Reihe: Der Druck ist Werkzeugweg aus den Chimera STL - Modelle erzeugt, gefärbt durch das Merkmal Art von Ubiquitin und Arginin (orange: Infill - Muster, dunkelblau: Außenschale, hellblau: Innenschale). Untere Reihe: Endgültige Drucke von Ubiquitin und Arginin. Oberfläche und zwei Band-Modelle von Ubiquitin bei 300% der STL Ausgabe Standard Chimera gedruckt (Chimera Standard ist 1 nm im Modell und 1 cm im Druck), während das Arginin Modell wwie bei 1000% gedruckt. Die Chimera Standard Band oder Stick-Modelle sind zu dünn richtig zu drucken, aber verdickte Versionen zuverlässig gedruckt werden. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 3. Nucleosome Fallstudie. (A) Einzel-Histon H3 - Protein gemacht durch Verdickung "Bänder" , bei 300% gedruckt. (B) Histone H3 - Protein "Oberfläche" Darstellung, bei 200% gedruckt. (C) Histonprotein Octamer bei 100% gedruckt. (D) Histone Protein Octamer (orange) im Komplex mit DNA flexible (weiß) bei 100% gedruckt. (E) Dinucleosome Oberflächenmodell mit einer Standard - Sonde Radius gedruckt und bei 100% Skala gedruckt. (F) m Aodel des Chromatins "30-nm-Faser", die durch manuell individuell bedruckten Modelle der "10-nm" dinucleosome Stapeln, wobei die Oberfläche mit einer Sonde Radius von 3 Å, gedruckt bei 50% und 25% Größen erbracht wurde und gehalten zusammen mit Play-Doh. 3D-Drucke wurden von einem Modell des dinucleosome (PDB 1ZBB) erzeugt. Alle Modelle sind frei verfügbar zum Download auf der NIH 3D : Exchange 11. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 4. Beispiele für 3D-Druckmodelle hergestellt Filament - Druckern. (A) links, eine Kugel-Stab - Modell von Wassermolekülen in hexagonalen Eiskristallen (Zweifaden Druck). Mitte, Modell eines Nukleotid (Guanin). Richtig, ein Protein alpha h elix Backbone-only-Modell zeigt, Wasserstoffbrücken (schwarz). Guanin und die Alpha-Helix wurden manuell mit sharpies gefärbt. (B) links, Natriumkanal, bestehend aus vier Untereinheiten , die miteinander verbunden werden können (PDB 3E89). Mitte, Plasmodium falciparum L-Laktat - Dehydrogenase (PDB 1T2D) als Bänder gedruckt. Richtig, Modell der DNA-Polymerase aktive Stelle (PDB 1KLN), zeigt DNA als Oberfläche und Protein als Bänder. (C) links, HIV Lipidhülle mit Glykoprotein (PDB 5FUU) durch Antikörper (PDB 1IGT) gebunden, bei 15% gedruckt. Mitte, Detail des Glykoproteinantigen Oberfläche bei 150%, mit dem variablen Bereich des Antikörpers als Bänder gezeigt (PDB 5FYJ). Richtig, Modelle der bakteriellen 70S Ribosom (PDB 4V5D) bei 40% und 20%. Die Prozentangaben beziehen sich auf Standard Chimera Ausgang, wobei 100% 1 nm im Molekül druckt als 1 mm bedeutet. Alle Modelle sind frei verfügbar zum Download auf der NIH 3D : Exchange 11.OAD / 55427 / 55427fig4large.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Diskussion

Physikalische 3D-Modelle von Biomolekülen bieten eine leistungsstarke Ergänzung zu häufiger computergestützte Methoden der Visualisierung. Die zusätzlichen Eigenschaften eines physischen 3D-Darstellung tragen zur intuitiven Verständnis biomolekularer Struktur. Die Konstruktion der physikalischen 3D-Modelle von Biomolekülen können ihre Studie durch die Verwendung eines Mediums zu erleichtern, die gut entwickelten Formen der menschlichen Empfindung Weise ausnutzt. 3D - Modelle dienen nicht nur als Hilfsmittel für die Forscher, kann jedoch verwendet werden , pädagogische Aktivitäten zu erleichtern und die Leistung zu erhöhen Lern 13 Ziele, 14, 15. Magnete können Kunststoff - Modelle hinzugefügt werden , für die Montage und Demontage zu ermöglichen, wie mit einem Modell von Polypeptiden 16 gezeigt. Auch 3D-gedruckten Objekte können in der Forschung, sowohl bei der Herstellung von Laborgeräten 17 sowie zu machen microfl verwendet werdenuidic Vorrichtungen für Zellen 18 und Modelle von Kristallen 19 oder 20 Neuronen. Die Manipulation von physikalischen Modellen kann dazu dienen, kollaborative Diskussionen zu fördern, die neue Einsichten inspirieren können.

Jüngste Entwicklungen in der 3D-Drucktechnologie und Verringerungen in den Kosten von Druckern ermöglicht die Erstellung von komplexen, physikalischen 3D-Modelle von Biomolekülen durch einen einzelnen Benutzer. Obwohl FFF Drucktechnologie häufiger und weniger kostspielig als andere Verfahren ist, stellt es eine Reihe von Einschränkungen. Die 3D-Druckverfahren ist zeitaufwendig, und mechanische Fehler auftreten. FFF-Drucker können in der Regel nur ein Material pro Teil zu drucken, um die Anzeige der Farbinformation zu beschränken. Die Auflösung der Modelle auf FFF-Druckern hergestellt ist gering, etwa 100 & mgr; m pro Schicht. Wir beraten den Leser mit diesen Einschränkungen zu arbeiten und einen Ansatz für ihre Drucker und Biomolekül (e) von Interesse zu entwickeln. Wir haben die proce präsentiertsse für einen Benutzer erforderlich, um eine individuelle 3D-Darstellung ihrer Biomolekül von Interesse, dass genau, ist informativ und druckbare zu entwickeln. Wie bei jeder neuen Technologie gibt es oft "Wachstumsschmerzen", die während der Nutzung überwunden werden müssen. Wir bieten mehrere Beispiele, bei denen Probleme im Prozess der 3D-Druck Biomoleküle angetroffen werden können (siehe Anhang 6).

Schließlich durch diesen Artikel, ist es unser Ziel, das Wachstum einer Gemeinschaft von Benutzern in dem 3D-Druck von Biomolekülen in Eingriff beizutragen. Wichtig ist , dass die NIH eine Datenbank für die Öffentlichkeit etablierten 3D - Modellen und die Methoden verwendet , um sie 10 zu drucken. Wir empfehlen dringend die Teilnahme an dieser einzigartigen Ressource (siehe Anhang 7 für Anweisungen, wie ein 3D-Modell Druck und Hintergrundinformationen zu den NIH 3D-Drucken Exchange laden).

Offenlegungen

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

Die Autoren sind dankbar für die Unterstützung von Deis3D, dem Brandeis 3D Printing Club und Mitgliedern der Brandeis Library/LTS/Makerlab. Diese Arbeit wurde zum Teil durch ein Stipendium finanziert, das Pomeranz Krummel von der NSF gewährt wurde, Preis Nr. 1157892; ein ESIT-Stipendium des BMBF, das an die Universität Tübingen vergeben wird; und US-Bundesmittel von den National Institutes of Health, Department of Health and Human Services, unter der Vertragsnummer GS35F0373X. Molekulare Grafiken und Analysen wurden mit dem UCSF Chimera-Paket durchgeführt. Chimera wurde von der Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics an der University of California, San Francisco entwickelt (unterstützt von NIGMS P41-GM103311).

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Filament
PLA 3D Printing Filament (1,0 kg Rolle)Quantum3D Printinghttp://quantum3dprinting.com/Sehr gutes PLAFilament, dringend empfohlen
NinjaFlex Flexibles 3D-DruckfilamentNinjatekhttps://ninjatek.com/Hochwertiges flexibles Filament
PLA Filamente PrimaValue & PrimaSelect3DPrimahttp://3dprima.com/Hochwertiger europäischer Lieferant von Filament
Druckern
Prusa Researchhttp://www.prusa3d.com/Ein beliebter 3D-Drucker
MakerGear M2 Revision E (M2e)MakerGearhttp://www.makergear.com/Closed Source, sehr hochwertiger Drucker
Ultimaker 2Ultimakerhttps://ultimaker.com/Sehr zuverlässiger, einfach zu bedienender Drucker, höchste Bewertung auf 3Dhubs.com
Flashforge Creator ProFlashforgehttp://www.flashforge-usa.comZuverlässiger, dualer Extrusionsdrucker, höchste Bewertung auf 3Dhubs.com
Software
Simplify3D SlicerSimplify3Dhttps://www.simplify3d.com/Ausgezeichnete Slicing-Software
NetfabbAutodeskhttp://www.autodesk.com/education/free-software/netfabbMesh-Reparatursoftware, kostenlos erhältlich für Bildungszwecke
ChimeraUniversity of California, San Franciscohttps://www.cgl.ucsf.edu/chimera/Chimera molekularer Vizualizer
MeshmixerAutodeskhttp://www.meshmixer.com/Wird zum Ausrichten von Modellen verwendet, verfügt aber über andere Funktionen
Prusa I3 MK2 3D-Drucker

Referenzen

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  20. McDougal, R. A., Shepherd, G. M. 3D-printer visualization of neuron models. Frontiers in Neuroinformatics. 9, 1-9 (2015).

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