Impression 3D des modèles biomoléculaires pour la recherche et la pédagogie

L’objectif de ce protocole est de créer et d’imprimer en 3D des modèles biomoléculaires structurellement précis à l’aide d’une imprimante 3D de bureau abordable. Cette méthode est utilisée pour concevoir des modèles imprimables en 3D de biomolécules, à partir des données structurelles et les fabriquer à l’aide d’imprimantes 3D à faible coût. L’impression 3D des modèles physiques facilite l’interaction et la discussion de la structure et de la fonction moléculaires.

L’interaction avec les modèles fournit une perception intuitive qui dépasse largement ce qui est possible avec un ordinateur. Pour commencer, récupérez d’abord le fichier de structure PDB de la molécule d’intérêt en entrant le code PDB dans UCSF Chimera. Ensuite, épaississez le diamètre du ruban afin qu’il puisse être imprimé avec succès.

Utilisez le menu de l’éditeur de style du ruban sous Outils et représentation. Sous l’onglet Mise à l’échelle, modifiez la hauteur de chaque élément à au moins 0,7, selon le type de structure. Pour obtenir un modèle plus robuste, affichez les liaisons hydrogène.

Changez ensuite le style PseudoBond pour qu’il s’en colle, et changez le rayon pour 0,6. Maintenant, exportez la représentation affichée sous forme de fichier 3D. Sélectionnez STL comme type de fichier et enregistrez le modèle.

Un traitement supplémentaire est encore nécessaire avant l’impression. Une réparation est nécessaire en raison du chevauchement d’objets, ce qui est très courant dans les modèles complexes. Pour corriger cela, ouvrez Autodesk NetFabb et importez le fichier STL qui a été exporté à partir de Chimera.

Dans NetFabb, ouvrez le menu Extras et sélectionnez Réparation automatique des pièces, puis Réparation étendue, et attendez que le fichier soit traité. Pour les petits modèles, cela ne prendra que quelques secondes, mais pour les grands modèles, cela peut prendre quelques minutes. Une fois le modèle traité, enregistrez le résultat.

Cliquez avec le bouton droit de la souris sur le modèle et sélectionnez Exporter la pièce et en tant que STL, ou utiliser Projet et Exporter le projet en tant que STL. Le programme ajoute repaired au nom du fichier pour le distinguer du fichier d’origine. Le modèle STL peut être orienté automatiquement à l’aide d’Autodesk Meshmixer, ou manuellement en 3D simplifiée.

Une orientation optimale permettra de réduire l’utilisation des pièces et les risques d’échec lors de l’impression. Pour l’orientation automatique, ouvrez Meshmixer et importez le fichier STL réparé. Sélectionnez ensuite Analyse et orientation.

Ajustez la valeur Poids de la force sur 100. Réglez la valeur Poids du volume de support sur zéro. Ajustez le poids de la zone d’appui à zéro, puis cliquez sur Mettre à jour.

Le modèle est ensuite tourné pour minimiser le nombre de porte-à-faux. Pour accepter l’orientation résultante, ouvrez le menu déroulant et exportez le résultat sous forme de fichier STL binaire. Ouvrez le logiciel de découpage et sélectionnez le fichier STL.

Double-cliquez sur le modèle et entrez le facteur d’échelle. La valeur par défaut est de 10 millions, ce qui signifie qu’un centimètre dans le modèle imprimé équivaut à un nanomètre dans la molécule. Ensuite, mettez à l’échelle les rubans et les représentations de bâtons à au moins 300 % afin qu’ils soient suffisamment grands pour être imprimés.

Les surfaces peuvent être mises à l’échelle à volonté. Ajustez l’orientation du modèle si vous le souhaitez, puis générez les structures de support pour le modèle. Cliquez sur l’icône Support et sélectionnez Supports normaux.

Spécifiez un angle de porte-à-faux maximal de 50 degrés et une résolution de pilier adaptée à la taille des fonctions de votre modèle, par exemple trois millimètres dans cet exemple. Cliquez ensuite sur Générer des appuis automatiques. Ces structures maintiendront en place les parties séparées et en surplomb du modèle pendant l’impression.

Ensuite, modifiez les supports générés automatiquement pour ajouter les supports manquants et supprimer ceux qui sont superflus. Tout d’abord, utilisez l’outil Ajouter des supports pour vous assurer que toutes les entités en porte-à-faux sont bien prises en charge et qu’aucune structure ne pend dans les airs. Deuxièmement, utilisez l’outil Supprimer les supports pour supprimer les supports et les cavités internes, tels que l’intérieur des hélices alpha ou des poches de liaison.

Maintenant, ajoutez un processus d’impression pour préparer le modèle G-code pour une imprimante et un matériau d’impression spécifiques. Modifiez les paramètres du processus d’impression comme suit. Sélectionnez le type de filament avec lequel vous allez imprimer.

Le PLA est recommandé. Ensuite, ajoutez une jupe pour assurer un bon écoulement initial de la matière. Ensuite, ajoutez un radeau pour sécuriser le modèle et les supports.

Utilisez un remplissage de 50 % pour les modèles à ruban et de 20 % pour les modèles en surface. Il existe de nombreux autres paramètres qui peuvent être réglés pour une impression réussie. Consultez la documentation du programme sur le site Web pour plus de détails.

Ensuite, cliquez sur Préparer l’impression, puis sélectionnez le processus approprié. Cela découpera le modèle en couches et construira un chemin à suivre pour la buse de l’imprimante. Les problèmes avec le modèle qui entraîneront l’échec d’une impression peuvent souvent être repérés dans l’impression de la trajectoire.

Il est important de toujours inspecter la trajectoire générée et, si nécessaire, de retravailler votre modèle. Enfin, inspectez la trajectoire du code G pour détecter les erreurs. Recherchez l’absence de supports sous les porte-à-faux, de hautes structures isolées qui pourraient être renversées, des cavités indésirables ou des zones trop minces pour être imprimées.

Si la trajectoire d’impression semble satisfaisante, enregistrez-la en tant que fichier de code G. Sinon, modifiez les paramètres du modèle, de l’orientation ou du processus, puis réessayez. Pour commencer, préparez l’imprimante en chargeant le filament et en vous assurant que le lit est de niveau.

Ensuite, exécutez le G-Code sur l’imprimante, soit en le diffusant à partir d’un ordinateur, soit à partir d’une carte SD connectée à l’imprimante. Surveillez l’impression jusqu’à ce que la première couche soit terminée avec succès et interrompez le processus s’il y a des erreurs. Les imprimantes 3D de bureau sont sujettes aux pannes, ce qui peut être décourageant pour les nouveaux utilisateurs.

Nous avons répertorié les problèmes courants et les solutions dans l’annexe, et nous encourageons le lecteur à utiliser les ressources en ligne pour dépanner son imprimante. Une fois l’impression terminée, laissez le modèle refroidir à température ambiante, puis détachez-le de la plaque de construction en le tirant doucement sur le côté. Si le radeau adhère fortement à la plaque de construction, soulevez-le soigneusement à l’aide d’un bord tranchant.

Ensuite, retirez les structures de support du modèle à l’aide d’une pince standard. Beaucoup peuvent être enlevés à l’aide d’une pince standard, et ceux qui sont difficiles à atteindre ou qui sont reliés à des structures délicates peuvent être retirés à l’aide d’une pince coupante. Un modèle de ruban d’ubiquitine révèle la structure des hélices alpha et des feuillets bêta, ainsi que l’emplacement des liaisons hydrogène.

En comparaison, un modèle de surface de l’ubiquitine pourrait également être réalisé. Un modèle d’hélice alpha avec représentation atomique montre comment les résidus d’acides aminés se connectent aux liaisons hydrogène pour former une structure secondaire hélicoïdale. Un modèle de protéine d’histone H3 peut être réalisé en rubans et en représentations de surface.

Ces modèles révèlent comment plusieurs histones peuvent interagir les unes avec les autres pour former des complexes plus grands. Un octamère de protéines d’histones forme le noyau d’un nucléosome, révélant la structure quaternaire des sous-unités d’histones. L’ADN qui s’enroule autour de l’octamère d’histone, formant la particule centrale du nucléosome, est imprimé avec un filament flexible, ce qui permet de l’enlever, de le tordre et de l’enrouler.

Enfin, un modèle de surface de dinucléosome montre comment les particules du noyau des nucléosomes se forment sous forme de billes sur une chaîne. Plusieurs dinucléosomes peuvent être empilés pour révéler la structure hélicoïdale de la fibre de chromatine. Les modèles physiques de biomolécules présentent des avantages par rapport aux modèles numériques.

Ils peuvent être manipulés, pointés du doigt ou transmis entre chercheurs et étudiants. Ces actions peuvent améliorer la communication des idées ou aider à mettre en évidence les caractéristiques de la molécule. Étant donné que les modèles moléculaires ont une géométrie 3D complexe, ils peuvent être difficiles à imprimer et peuvent nécessiter quelques essais et erreurs.

Notre protocole aidera l’utilisateur à surmonter certains des problèmes les plus courants du processus. En suivant ce protocole, vous serez en mesure de créer un modèle 3D numérique d’une biomolécule, de traiter le fichier 3D et de créer un modèle physique à l’aide d’une imprimante 3D de fabrication de filaments fondus.