La impresión 3D de Modelos de Investigación Biomolecular y Pedagogía

El objetivo de este protocolo es crear e imprimir en 3D modelos biomoleculares estructuralmente precisos utilizando una impresora 3D de escritorio asequible. Este método se utiliza para diseñar modelos imprimibles en 3D de biomoléculas, a partir de los datos estructurales y fabricarlos utilizando impresoras 3D de bajo coste. La impresión 3D de los modelos físicos facilita la interacción y la discusión de la estructura y función molecular.

La interacción con los modelos proporciona una percepción intuitiva que supera con creces lo que es posible utilizando un ordenador. Para comenzar, primero obtenga el archivo de estructura PDB de la molécula de interés ingresando el código PDB en UCSF Chimera. A continuación, engrosar el diámetro de la cinta, para que se pueda imprimir con éxito.

Utilice el menú del editor de estilos de la cinta de opciones en Herramientas y representación. En la pestaña Escala, cambie la altura de cada elemento a al menos 0,7, según el tipo de estructura. Para obtener un modelo más resistente, muestre los enlaces de hidrógeno.

A continuación, cambia el estilo de PseudoBond a stick y cambia el radio a 0,6. Ahora, exporte la representación mostrada como un archivo 3D. Seleccione STL como tipo de archivo y guarde el modelo.

Todavía se requiere un procesamiento adicional antes de imprimir. La reparación es necesaria debido a la superposición de objetos, que es muy común en modelos complejos. Para corregir esto, abra Autodesk NetFabb e importe el archivo STL que se exportó desde Chimera.

En NetFabb, abra el menú Extras y seleccione Reparación automática de piezas, luego seleccione Reparación extendida y espere mientras se procesa el archivo. Para los modelos pequeños, esto tomará segundos, pero para los modelos grandes puede demorar minutos. Una vez procesado el modelo, guarde el resultado.

Haga clic con el botón derecho del ratón en el modelo y seleccione Exportar pieza y como STL, o utilice Proyecto y Exportar proyecto como STL. El programa agrega reparado al nombre del archivo para distinguirlo del archivo original. El modelo STL se puede orientar automáticamente mediante Autodesk Meshmixer o manualmente en 3D simplificado.

Una orientación óptima conducirá a un menor uso de piezas y reducirá las posibilidades de fallo al imprimir. Para la orientación automática, abra Meshmixer e importe el archivo STL reparado. A continuación, seleccione Análisis y orientación.

Ajuste el valor de Peso de fuerza a 100. Ajuste el valor de Peso del volumen de soporte a cero. Ajuste el peso del área de soporte a cero y, a continuación, haga clic en Actualizar.

A continuación, el modelo se gira para minimizar el número de voladizos. Para aceptar la orientación resultante, abra el menú desplegable y exporte el resultado como un archivo STL binario. Abra el software de corte y seleccione el archivo STL.

Haga doble clic en el modelo e introduzca el factor de escala. El valor predeterminado es 10 millones, lo que significa que un centímetro en el modelo impreso equivale a un nanómetro en la molécula. A continuación, escale las cintas y las representaciones de los palos al menos un 300% para que sean lo suficientemente grandes como para imprimirlas.

Las superficies se pueden escalar como se desee. Ajuste la orientación del modelo si lo desea y, a continuación, genere las estructuras de soporte para el modelo. Haga clic en el icono Soporte y seleccione Soportes normales.

Especifique un ángulo de voladizo máximo de 50 grados y una resolución de pilar adecuada al tamaño de las operaciones de su modelo, como tres milímetros en este ejemplo. A continuación, haga clic en Generar soportes automáticos. Estas estructuras mantendrán las partes separadas y sobresalientes del modelo en su lugar durante la impresión.

A continuación, edite los soportes generados automáticamente para agregar los soportes que faltan y eliminar los superfluos. En primer lugar, utilice la herramienta Agregar soportes para asegurarse de que todas las entidades que sobresalen estén bien soportadas y de que ninguna estructura cuelgue en el aire. En segundo lugar, utilice la herramienta Eliminar soportes para eliminar soportes y cavidades internas, como el interior de las hélices alfa o las cavidades de unión.

Ahora, agregue un proceso de impresión para preparar el código G del modelo para una impresora y un material de impresión específicos. Edite la configuración del proceso de impresión de la siguiente manera. Selecciona el tipo de filamento con el que vas a imprimir.

Se recomienda el PLA. A continuación, añada un faldón para asegurar un buen flujo inicial del material. Luego, agregue una balsa para asegurar el modelo y los soportes.

Utilice un relleno del 50 % para los modelos de cinta y del 20 % para los modelos de superficie. Hay muchos otros parámetros que se pueden ajustar para el éxito de la impresión. Consulte la documentación del programa en el sitio web para obtener más detalles.

A continuación, haga clic en Preparar para imprimir y seleccione el proceso adecuado. Esto dividirá el modelo en capas y construirá un camino para que lo siga el inyector de la impresora. Los problemas con el modelo que harán que una impresión falle a menudo se pueden detectar en la impresión de la trayectoria.

Es importante inspeccionar siempre la trayectoria generada y, si es necesario, volver a trabajar en el modelo. Por último, inspeccione la trayectoria del código G en busca de errores. Busque la ausencia de soportes debajo de los voladizos, estructuras altas aisladas que podrían derribarse, cavidades no deseadas o áreas que son demasiado delgadas para imprimir.

Si la trayectoria de impresión parece satisfactoria, guárdela como un archivo de código G. De lo contrario, edite el modelo, la orientación o la configuración del proceso e inténtelo de nuevo. Para empezar, prepara la impresora cargando el filamento y asegurándote de que la cama esté nivelada.

A continuación, ejecute el código G en la impresora, ya sea transmitiéndolo desde una computadora o desde una tarjeta SD conectada a la impresora. Observe la impresión hasta que la primera capa se haya completado con éxito y aborte el proceso si hay algún error. Las impresoras 3D de escritorio son propensas a fallar, y esto puede ser desalentador para los nuevos usuarios.

Hemos enumerado problemas comunes y soluciones en el apéndice, y alentamos al lector a utilizar recursos en línea para solucionar problemas con su impresora. Cuando termine la impresión, deje que el modelo se enfríe a temperatura ambiente y, a continuación, sepárelo de la placa de construcción tirando suavemente de él hacia los lados. Si la balsa se adhiere fuertemente a la placa de construcción, sáquela con cuidado con un borde afilado.

A continuación, retire las estructuras de soporte del modelo con unos alicates estándar. Muchos se pueden quitar con alicates estándar, y los que son difíciles de alcanzar o están conectados a estructuras delicadas se pueden quitar con alicates de corte. Un modelo de cinta de ubiquitina revela la estructura de las hélices alfa y las láminas beta, y la ubicación de los enlaces de hidrógeno.

En comparación, también se podría hacer un modelo de superficie de ubiquitina. Un modelo de una hélice alfa con representación atómica muestra cómo los residuos de aminoácidos se conectan con enlaces de hidrógeno para formar una estructura secundaria helicoidal. Se puede hacer un modelo de proteína histona H3 en representaciones de cinta y superficie.

Estos modelos revelan cómo múltiples histonas pueden interactuar entre sí para formar complejos más grandes. Un octámero de proteínas histonas forma el núcleo de un nucleosoma, revelando la estructura cuaternaria de las subunidades de histonas. El ADN que se enrolla alrededor del octámero de histonas, formando la partícula central del nucleosoma, se imprime con un filamento flexible, lo que permite eliminarlo, retorcerlo y enrollarlo.

Por último, un modelo de superficie de dinucleosoma muestra cómo las partículas del núcleo del nucleosoma se forman como cuentas en una cuerda. Se pueden apilar múltiples dinucleosomas para revelar la estructura helicoidal de la fibra de cromatina. Los modelos físicos de biomoléculas tienen ventajas sobre los modelos digitales.

Pueden ser manipulados, señalados o pasados entre investigadores y estudiantes. Estas acciones pueden mejorar la comunicación de ideas o ayudar a señalar las características de la molécula. Debido a que los modelos moleculares tienen una geometría 3D compleja, pueden ser difíciles de imprimir y pueden requerir algo de prueba y error.

Nuestro protocolo ayudará al usuario a superar algunos de los problemas más comunes del proceso. Siguiendo este protocolo, podrás crear un modelo digital en 3D de una biomolécula, procesar el archivo 3D y crear un modelo físico utilizando una impresora 3D de fabricación de filamentos fundidos.