Name: 3D Printing of Biomolecular Modelle für Forschung und Pädagogik (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 17 s
Description: Erfahren Sie, wie Sie biomolekulare Modelle mit erschwinglichen Desktop-3D-Druckern erstellen. Diese Methode nutzt UCSF Chimera und Autodesk NetFabb für strukturgenaue Drucke in Forschung und Lehre.

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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).

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Die Autoren haben nichts offenzulegen.

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 &amp; 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 &quot;Wachstumsschmerzen&quot;, 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).

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 &quot;Slicing&quot; 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.

<table><tbody><tr><td>Filament</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>PLA 3D Printing Filament (1,0 kg Rolle)</td><td>Quantum3D Printing</td><td>http://quantum3dprinting.com/</td> <td>Sehr gutes PLAFilament, dringend empfohlen</td></tr><tr><td>NinjaFlex Flexibles 3D-Druckfilament</td><td>Ninjatek</td><td>https://ninjatek.com/</td> <td>Hochwertiges flexibles Filament</td></tr><tr><td>PLA Filamente PrimaValue & PrimaSelect</td><td>3DPrima</td><td>http://3dprima.com/</td> <td>Hochwertiger europäischer Lieferant von Filament</td></tr><tr><td>Druckern</td>Prusa I3 MK2 3D-Drucker <td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Prusa Research</td><td>http://www.prusa3d.com/</td> <td>Ein beliebter 3D-Drucker</td></tr><tr><td>MakerGear M2 Revision E (M2e)</td><td>MakerGear</td><td>http://www.makergear.com/</td> <td>Closed Source, sehr hochwertiger Drucker</td></tr><tr><td>Ultimaker 2</td><td>Ultimaker</td><td>https://ultimaker.com/</td> <td>Sehr zuverlässiger, einfach zu bedienender Drucker, höchste Bewertung auf 3Dhubs.com</td></tr><tr><td>Flashforge Creator Pro</td><td>Flashforge</td><td>http://www.flashforge-usa.com</td><td>Zuverlässiger, dualer Extrusionsdrucker, höchste Bewertung auf 3Dhubs.com</td></tr><tr><td>Software</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Simplify3D Slicer</td><td>Simplify3D</td><td>https://www.simplify3d.com/</td> <td>Ausgezeichnete Slicing-Software</td></tr><tr><td>Netfabb</td><td>Autodesk</td><td>http://www.autodesk.com/education/free-software/netfabb</td><td>Mesh-Reparatursoftware, kostenlos erhältlich für Bildungszwecke</td></tr><tr><td>Chimera</td><td>University of California, San Francisco</td><td>https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/</td> <td>Chimera molekularer Vizualizer</td></tr><tr><td>Meshmixer</td><td>Autodesk</td><td>http://www.meshmixer.com/</td> <td>Wird zum Ausrichten von Modellen verwendet, verfügt aber über andere Funktionen</td></tr></tbody></table>

3d printing of biomolecular modelle für forschung und pädagogik

3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy

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.

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 &quot;Histon-fold&quot;), gefolgt von einer ausgedehnten alpha-Helix und einem zweiten &quot;Histon-fold&quot;. Histone Proteinstruktur kann leicht durch die Verwendung einer &quot;Band&quot; 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 &quot;Faser&quot;, eine linkshändige suprahelical Struktur zu bilden. Um am besten zeigen , wie die 10-nm - Nukleosomen Kernteilchen stapeln kann eine 30-nm Chromatin, Druck individuelle &quot;di-Nukleosomen&quot; 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. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig1.jpg" /> 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.<a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig2.jpg" /> 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. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig3.jpg" /> Abbildung 3. Nucleosome Fallstudie. (A) Einzel-Histon H3 - Protein gemacht durch Verdickung &quot;Bänder&quot; , bei 300% gedruckt. (B) Histone H3 - Protein &quot;Oberfläche&quot; 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 &quot;30-nm-Faser&quot;, die durch manuell individuell bedruckten Modelle der &quot;10-nm&quot; 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. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig4.jpg" /> 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<html> 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 &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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.

3D Printing of Biomolecular Modelle für Forschung und Pädagogik

The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D ...

Das Ziel dieses Protokolls besteht darin, mithilfe eines kostengünstigen Desktop-3D-Druckers strukturell genaue biomolekulare Modelle zu erstellen und zu drucken. Diese Methode dient der Konstruktion druckbarer 3D-Modelle von Biomolekülen, ausgehend von strukturellen Daten, und deren Herstellung mittels preiswerter 3D-Drucker. Der 3D-Druck physischer Modelle erleichtert die Auseinandersetzung mit und Diskussion über die Struktur und Funktion von Molekülen.Die Interaktion mit den Modellen vermittelt eine intuitive Wahrnehmung, die das übertrifft, was mit einem Computer möglich ist. Zunächst rufen Sie die PDB-Strukturdatei des Moleküls Ihrer Wahl ab, indem Sie den PDB-Code in UCSF Chimera eingeben. Danach erhöhen Sie den Durchmesser des Bandmodells, damit es erfolgreich gedruckt werden kann.Verwenden Sie das Menü des Menübands unter Werkzeuge und Darstellung. Ändern Sie im Reiter Skalierung die Höhe jedes Elements entsprechend dem Strukturtyp auf mindestens 0,7. Um ein stabileres Modell zu erhalten, zeigen Sie die Wasserstoffbrückenbindungen an.Ändern Sie dann den PseudoBond-Stil zu „stick“ und den Radius zu 0,6. Exportieren Sie nun die angezeigte Darstellung als 3D-Datei. Wählen Sie STL als Dateityp und speichern Sie das Modell.Bevor der Druck erfolgen kann, ist eine weitere Verarbeitung erforderlich. Aufgrund von Objektüberlappungen, die bei komplexen Modellen sehr häufig auftreten, ist eine Reparatur notwendig. Öffnen Sie zu diesem Zweck Autodesk NetFabb und importieren Sie die STL-Datei, die aus Chimera exportiert wurde.Öffnen Sie in NetFabb das Menü Extras und wählen Sie Automatische Bauteilreparatur, dann wählen Sie Erweiterte Reparatur und warten Sie, während die Datei verarbeitet wird. Bei kleinen Modellen dauert dies nur Sekunden, bei großen Modellen kann es jedoch mehrere Minuten dauern. Sobald das Modell verarbeitet wurde, speichern Sie das Ergebnis.Rechtsklicken Sie auf das Modell und wählen Sie „Teil exportieren“ und „Als STL“, oder verwenden Sie „Projekt“ und „Projekt als STL exportieren“. Das Programm fügt dem Dateinamen „repariert“ hinzu, um es von der ursprünglichen Datei zu unterscheiden. Das STL-Modell kann automatisch mit Autodesk Meshmixer ausgerichtet oder manuell in vereinfachtem 3D ausgerichtet werden.Die optimale Ausrichtung führt zu einem geringeren Verbrauch an Material und verringert die Wahrscheinlichkeit von Druckfehlern. Für die automatische Ausrichtung öffnen Sie Meshmixer und importieren die reparierte STL-Datei. Wählen Sie anschließend Analyse und Ausrichtung.Stellen Sie den Wert für Stärkegewichtung auf 100 ein. Stellen Sie den Wert für Stützvolumengewichtung auf null ein. Stellen Sie die Stützbereichsgewichtung auf null ein und klicken Sie dann auf Aktualisieren.Das Modell wird anschließend gedreht, um die Anzahl der Überhänge zu minimieren. Um die resultierende Ausrichtung zu übernehmen, öffnen Sie das Dropdown-Menü und exportieren Sie das Ergebnis als binäre STL-Datei. Öffnen Sie die Slicing-Software und wählen Sie die STL-Datei aus.Doppelklicken Sie auf das Modell und geben Sie den Skalierungsfaktor ein. Der Standardwert beträgt 10 Millionen, was bedeutet, dass ein Zentimeter im gedruckten Modell einem Nanometer im Molekül entspricht. Skalieren Sie anschließend die Band- und Stabdarstellungen auf mindestens 300 %, damit sie groß genug zum Drucken sind.Die Oberflächen können nach Belieben skaliert werden. Passen Sie die Ausrichtung des Modells gegebenenfalls an und erzeugen Sie dann die Stützstrukturen für das Modell. Klicken Sie auf das Symbol „Support“ und wählen Sie normale Stützen aus.Geben Sie einen maximalen Überhangwinkel von 50 Grad und eine Säulerauflösung an, die der Größe der Merkmale Ihres Modells entspricht, beispielsweise drei Millimeter in diesem Beispiel. Klicken Sie dann auf „Automatische Stützen generieren“. Diese Strukturen halten während des Druckvorgangs getrennte und überhängende Teile des Modells an ihrer Position.Als Nächstes bearbeiten Sie die automatisch generierten Stützstrukturen, um fehlende Stützen hinzuzufügen und überflüssige zu entfernen. Zuerst verwenden Sie das Werkzeug „Stützen hinzufügen“, um sicherzustellen, dass alle überhängenden Strukturen gut abgestützt sind und keine Gebilde in der Luft hängen. Danach nutzen Sie das Werkzeug „Stützen entfernen“, um Stützstrukturen und innere Hohlräume, wie beispielsweise das Innere von Alpha-Helices oder Bindungstaschen, zu löschen.Fügen Sie nun einen Druckprozess hinzu, um die Modell-G-Code-Datei für einen bestimmten Drucker und Druckwerkstoff vorzubereiten. Bearbeiten Sie die Einstellungen des Druckprozesses wie folgt: Wählen Sie den Typ des Filaments aus, mit dem Sie drucken werden.PLA wird empfohlen. Fügen Sie anschließend einen Saum hinzu, um einen guten ersten Materialfluss sicherzustellen. Fügen Sie dann eine Unterlage hinzu, um das Modell und die Stützen zu befestigen.Verwenden Sie eine Füllung von 50 % für Bandmodelle und 20 % für Oberflächenmodelle. Es gibt zahlreiche weitere Parameter, die für einen erfolgreichen Druck angepasst werden können. Weitere Einzelheiten finden Sie in der Programmdokumentation auf der Website.Klicken Sie anschließend auf „Vorbereiten zum Drucken“ und wählen Sie den geeigneten Prozess aus. Dadurch wird das Modell in Schichten zerlegt und eine Bahn für die Düse des Druckers erstellt. Probleme am Modell, die zum Scheitern des Drucks führen können, lassen sich häufig bereits im Bahnverlauf erkennen.Es ist wichtig, die generierte Bahn immer zu überprüfen und gegebenenfalls Ihr Modell zu überarbeiten. Überprüfen Sie abschließend die G-Code-Bahn auf Fehler. Achten Sie auf fehlende Stützstrukturen unter Überhängen, große isolierte Strukturen, die umfallen könnten, unerwünschte Hohlräume oder Bereiche, die zu dünn zum Drucken sind.Wenn die Druckbahn zufriedenstellend erscheint, speichern Sie sie als G-Code-Datei. Andernfalls bearbeiten Sie das Modell, die Ausrichtung oder die Prozesseinstellungen und versuchen Sie es erneut. Beginnen Sie damit, den Drucker vorzubereiten, indem Sie das Filament laden und sicherstellen, dass die Druckplatte eben ist.Führen Sie als Nächstes den G-Code auf dem Drucker aus, entweder durch Streaming von einem Computer oder von einer SD-Karte, die am Drucker angeschlossen ist. Beobachten Sie den Druckvorgang, bis die erste Schicht erfolgreich abgeschlossen ist, und brechen Sie den Vorgang ab, falls Fehler auftreten. Desktop-3D-Drucker neigen zu Fehlern, was für neue Anwender entmutigend sein kann.Wir haben häufige Probleme und deren Lösungen im Anhang aufgelistet und empfehlen dem Leser, Online-Ressourcen zur Fehlerbehebung bei ihrem Drucker zu nutzen. Sobald der Druckvorgang abgeschlossen ist, lassen Sie das Modell auf Raumtemperatur abkühlen und lösen Sie es anschließend, indem Sie es vorsichtig seitlich von der Druckplatte abziehen. Falls die Schwimmplatte stark mit der Druckplatte verbunden ist, heben Sie sie vorsichtig mit einer scharfen Kante ab.Entfernen Sie anschließend die Stützstrukturen des Modells mit einer normalen Zange. Viele dieser Strukturen lassen sich mit einer normalen Zange entfernen; jene, die schwer erreichbar sind oder mit empfindlichen Strukturen verbunden sind, können mit einer Schneidzange entfernt werden. Ein Bandmodell von Ubiquitin zeigt die Struktur der Alpha-Helices und Beta-Faltblätter sowie die Lage der Wasserstoffbrückenbindungen auf.Im Vergleich dazu könnte auch ein Oberflächenmodell von Ubiquitin erstellt werden. Ein Modell einer Alpha-Helix mit atomarer Darstellung zeigt, wie Aminosäurereste über Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind, um eine helikale sekundäre Struktur zu bilden. Ein Modell des Histon-H3-Proteins kann in Band- und Oberflächendarstellung angefertigt werden.Diese Modelle zeigen, wie mehrere Histone miteinander interagieren können, um größere Komplexe zu bilden. Ein Histone-Oktamer bildet den Kern eines Nukleosoms und zeigt die quartäre Struktur der Histonsubeinheiten. Die DNA, die sich um das Histone-Oktamer windet und das Nukleosom-Kernpartikel bildet, ist aus flexiblen Filamenten gedruckt, sodass sie entfernt, verdreht und aufgerollt werden kann.Zuletzt zeigt ein Dinukleosom-Oberflächenmodell, wie Nukleosomen-Kernpartikel als Perlen auf einer Schnur angeordnet sind. Mehrere Dinukleosomen können gestapelt werden, um die helikale Struktur der Chromatinfaser sichtbar zu machen. Physische Modelle von Biomolekülen bieten Vorteile gegenüber digitalen Modellen.Sie können manipuliert, angezeigt oder zwischen Forschern und Studierenden weitergegeben werden. Solche Aktionen können die Vermittlung von Ideen verbessern oder dazu beitragen, bestimmte Merkmale des Moleküls hervorzuheben. Da molekulare Modelle eine komplexe 3D-Geometrie aufweisen, können sie schwierig zu drucken sein und erfordern möglicherweise einige Versuche und Anpassungen.Unser Protokoll hilft dem Anwender, einige der häufigsten Probleme bei diesem Verfahren zu überwinden. Wenn Sie diesem Protokoll folgen, können Sie ein digitales 3D-Modell eines Biomoleküls erstellen, die 3D-Datei verarbeiten und mithilfe eines 3D-Druckers mit Schmelzschichtung ein physisches Modell anfertigen.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

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3D Printing of Biomolecular Modelle für Forschung und Pädagogik

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