3D Printing of Biomolecular Modelle für Forschung und Pädagogik

Das Ziel dieses Protokolls ist es, strukturell genaue biomolekulare Modelle mit einem erschwinglichen Desktop-3D-Drucker zu erstellen und in 3D zu drucken. Diese Methode wird verwendet, um ausgehend von den Strukturdaten 3D-druckbare Modelle von Biomolekülen zu entwerfen und diese mit kostengünstigen 3D-Druckern herzustellen. Der 3D-Druck der physikalischen Modelle erleichtert die Interaktion und Diskussion der molekularen Struktur und Funktion.

Die Interaktion mit den Modellen sorgt für eine intuitive Wahrnehmung, die weit über das hinausgeht, was mit einem Computer möglich ist. Um zu beginnen, rufen Sie zunächst die PDB-Strukturdatei des interessierenden Moleküls ab, indem Sie den PDB-Code in UCSF Chimera eingeben. Verdicken Sie als Nächstes den Durchmesser des Farbbandes, damit es erfolgreich gedruckt werden kann.

Verwenden Sie das Menü des Formatformat-Editors der Multifunktionsleiste unter Werkzeuge und Darstellung. Ändern Sie auf der Registerkarte Skalierung die Höhe jedes Elements auf mindestens 0,7, je nach Strukturtyp. Um ein stabileres Modell zu erhalten, zeigen Sie die Wasserstoffbrückenbrücken an.

Ändern Sie dann den PseudoBond-Stil in "Kleben", und ändern Sie den Radius auf 0,6. Exportieren Sie nun die angezeigte Darstellung als 3D-Datei. Wählen Sie STL als Dateityp aus, und speichern Sie das Modell.

Vor dem Druck ist noch eine weitere Bearbeitung erforderlich. Eine Reparatur ist aufgrund von Objektüberlappungen erforderlich, die bei komplexen Modellen sehr häufig vorkommen. Um dies zu korrigieren, öffnen Sie Autodesk NetFabb und importieren Sie die STL-Datei, die aus Chimera exportiert wurde.

Öffnen Sie in NetFabb das Menü Extras, und wählen Sie Automatische Teilereparatur aus, wählen Sie dann Erweiterte Reparatur aus, und warten Sie, während die Datei verarbeitet wird. Bei kleinen Modellen dauert dies Sekunden, bei großen Modellen kann es jedoch Minuten dauern. Nachdem das Modell verarbeitet wurde, speichern Sie das Ergebnis.

Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Modell, und wählen Sie Teil exportieren und als STL aus, oder verwenden Sie Projekt und Projekt als STL exportieren. Das Programm fügt dem Dateinamen repaired hinzu, um sie von der Originaldatei zu unterscheiden. Das STL-Modell kann mit Autodesk Meshmixer automatisch oder manuell in vereinfachtem 3D ausgerichtet werden.

Eine optimale Ausrichtung führt zu einem geringeren Teileverbrauch und verringert die Fehlerwahrscheinlichkeit beim Drucken. Um die automatische Ausrichtung zu gewährleisten, öffnen Sie Meshmixer und importieren Sie die reparierte STL-Datei. Wählen Sie dann Analyse und Ausrichtung aus.

Stellen Sie den Wert für Stärkegewicht auf 100 ein. Stellen Sie den Wert für das Stützvolumengewicht auf Null ein. Stellen Sie die Gewichtung des Auflagerbereichs auf Null ein, und klicken Sie dann auf Aktualisieren.

Das Modell wird dann 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 ist 10 Millionen, was bedeutet, dass ein Zentimeter im gedruckten Modell einem Nanometer im Molekül entspricht. Skalieren Sie als Nächstes die Farbbänder und Klebebänder auf mindestens 300 %, damit sie groß genug für den Druck sind.

Flächen können beliebig skaliert werden. Passen Sie bei Bedarf die Ausrichtung des Modells an, und generieren Sie dann die Stützstrukturen für das Modell. Klicken Sie auf das Symbol "Support" und wählen Sie "Normale Supports" aus.

Geben Sie einen maximalen Überhangwinkel von 50 Grad und eine Säulenauflösung an, die der Größe der Features des Modells entspricht, z. B. drei Millimeter in diesem Beispiel. Klicken Sie dann auf Automatische Stützen generieren. Diese Strukturen halten separate und überhängende Teile des Modells während des Drucks an Ort und Stelle.

Bearbeiten Sie als Nächstes die automatisch generierten Stützen, um fehlende Stützen hinzuzufügen und überflüssige zu entfernen. Verwenden Sie zunächst das Werkzeug Stützen hinzufügen, um sicherzustellen, dass alle überhängenden Features gut abgestützt sind und keine Strukturen in der Luft hängen. Verwenden Sie anschließend das Werkzeug Stützen entfernen, um Stützen und interne Hohlräume zu löschen, z. B. die Innenseite von Alpha-Helices oder Bindungstaschen.

Fügen Sie nun einen Druckprozess hinzu, um den Modell-G-Code für einen bestimmten Drucker und ein bestimmtes Druckmaterial vorzubereiten. Bearbeiten Sie die Einstellungen für den Druckvorgang wie folgt. Wählen Sie die Art des Filaments aus, mit dem Sie drucken möchten.

PLA wird empfohlen. Fügen Sie dann eine Schürze hinzu, um einen guten anfänglichen Fluss des Materials zu gewährleisten. Fügen Sie dann ein Floß hinzu, um das Modell und die Stützen zu sichern.

Verwenden Sie eine Füllung von 50 % für Farbbandmodelle und 20 % für Oberflächenmodelle. Es gibt zahlreiche weitere Parameter, die für den Druckerfolg abgestimmt werden können. Weitere Informationen finden Sie in der Programmdokumentation auf der Website.

Klicken Sie anschließend auf Drucken vorbereiten und wählen Sie den entsprechenden Prozess aus. Dadurch wird das Modell in Schichten unterteilt und ein Pfad erstellt, dem die Druckerdüse folgen soll. Probleme mit dem Modell, die dazu führen, dass ein Druck fehlschlägt, können häufig im Bahnausdruck erkannt werden.

Es ist wichtig, die generierte Trajektorie immer zu überprüfen und Ihr Modell bei Bedarf zu überarbeiten. Überprüfen Sie abschließend die G-Code-Trajektorie auf Fehler. Achten Sie auf das Fehlen von Stützen unter Überhängen, hohen, isolierten Strukturen, die umgestoßen werden könnten, unerwünschte Hohlräume oder Bereiche, die zum Drucken zu dünn sind.

Wenn die Druckkurve zufriedenstellend erscheint, speichern Sie sie als G-Code-Datei. Andernfalls bearbeiten Sie die Modell-, Ausrichtungs- oder Prozesseinstellungen, und versuchen Sie es erneut. Bereiten Sie zunächst den Drucker vor, indem Sie das Filament einlegen und sicherstellen, dass das Bett eben ist.

Führen Sie als Nächstes den G-Code auf dem Drucker aus, indem Sie ihn entweder von einem Computer oder von einer an den Drucker angeschlossenen SD-Karte streamen. Beobachten Sie den Druck, bis die erste Schicht erfolgreich abgeschlossen wurde, und brechen Sie den Vorgang ab, wenn Fehler auftreten. Desktop-3D-Drucker sind anfällig für Ausfälle, und dies kann für neue Benutzer entmutigend sein.

Wir haben häufige Probleme und Lösungen im Anhang aufgelistet und ermutigen den Leser, Online-Ressourcen zu nutzen, um Probleme mit seinem Drucker zu beheben. Wenn der Druck fertig ist, lassen Sie das Modell auf Raumtemperatur abkühlen und lösen Sie es dann von der Bauplatte, indem Sie es vorsichtig zur Seite ziehen. Wenn das Floß stark an der Bauplatte haftet, hebeln Sie es vorsichtig mit einer scharfen Kante ab.

Entfernen Sie anschließend die Stützstrukturen mit einer Standardzange vom Modell. Viele lassen sich mit einer Standardzange entfernen, und diejenigen, die schwer zu erreichen sind oder mit empfindlichen Strukturen verbunden sind, können mit einer Schneidezange entfernt werden. Ein Bandmodell von Ubiquitin zeigt die Struktur der Alpha-Helices und Beta-Faltblätter sowie die Position der Wasserstoffbrückenbindungen.

Im Vergleich dazu könnte auch ein Oberflächenmodell von Ubiquitin erstellt werden. Ein Modell einer Alpha-Helix mit atomarer Darstellung zeigt, wie sich Aminosäurereste mit Wasserstoffbrückenbindungen zu einer helikalen Sekundärstruktur verbinden. Ein Histon-H3-Proteinmodell kann in Band- und Oberflächendarstellungen hergestellt werden.

Diese Modelle zeigen, wie mehrere Histone miteinander interagieren können, um größere Komplexe zu bilden. Ein Oktamer aus Histonproteinen bildet den Kern eines Nukleosoms und enthüllt die quartäre Struktur der Histon-Untereinheiten. Die DNA, die sich um das Histon-Oktamer windet und das Nukleosomenkernpartikel bildet, wird mit flexiblem Filament gedruckt, so dass es entfernt, verdreht und aufgewickelt werden kann.

Schließlich zeigt ein Dinukleosomen-Oberflächenmodell, wie sich Nukleosomenkernpartikel als Kügelchen auf einer Schnur bilden. Mehrere Dinukleosomen können gestapelt werden, um die helikale Struktur der Chromatinfaser sichtbar zu machen. Physikalische Modelle von Biomolekülen haben Vorteile gegenüber digitalen Modellen.

Sie können manipuliert, auf sie gezeigt oder zwischen Forschern und Studenten weitergegeben werden. Diese Maßnahmen können die Kommunikation von Ideen verbessern oder helfen, Merkmale des Moleküls hervorzuheben. Da molekulare Modelle eine komplexe 3D-Geometrie haben, kann es schwierig sein, sie zu drucken, und es kann einige Versuche und Irrtümer erforderlich sein.

Unser Protokoll hilft dem Benutzer, einige der häufigsten Probleme mit dem Prozess zu überwinden. Wenn Sie diesem Protokoll folgen, können Sie ein digitales 3D-Modell eines Biomoleküls erstellen, die 3D-Datei verarbeiten und ein physisches Modell mit einem 3D-Drucker für die Herstellung von Schmelzfilamenten erstellen.