Name: Impression 3D des modèles biomoléculaires pour la recherche et la pédagogie (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 17 s
Description: Apprenez à créer et imprimer en 3D des modèles biomoléculaires précis avec des imprimantes de bureau abordables. Cette méthode utilise UCSF Chimera et Autodesk NetFabb pour faciliter l'enseignement et la recherche en biologie structurale.

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Les auteurs sont reconnaissants du soutien de Deis3D, du Brandeis 3D Printing Club, et des membres de Brandeis Library/LTS/Makerlab. Ce travail a été financé en partie par une subvention accordée à Pomeranz Krummel par la NSF, prix n° 1157892 ; une bourse ESIT du BMBF, attribuée à l’Université de Tübingen ; et des fonds fédéraux américains des National Institutes of Health, Department of Health and Human Services, dans le cadre du contrat n°. GS35F0373X. Les graphiques moléculaires et les analyses ont été réalisés avec le package Chimera de l’UCSF. Chimera a été développé par la Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics de l’Université de Californie à San Francisco (soutenu par NIGMS P41-GM103311).

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

modèles 3D physiques de biomolécules offrent un puissant complément aux méthodes sur ordinateur les plus courants de visualisation. Les propriétés supplémentaires d&#39;une représentation 3D physique contribuent à la compréhension intuitive de la structure biomoléculaire. La construction de modèles 3D physiques de biomolécules peut faciliter leur étude par l&#39;utilisation d&#39;un milieu qui tire profit de modes de sensation humaine bien développées. Modèles 3D servent non seulement comme une aide au chercheur, mais peuvent être utilisés pour faciliter les activités pédagogiques et peut augmenter la réalisation des résultats d&#39; apprentissage 13, 14, 15. Les aimants peuvent être ajoutés à des modèles en plastique pour permettre le montage et le démontage, tel que représenté par un modèle de polypeptides 16. En outre, des objets 3D imprimés peuvent être utilisés dans la recherche, à la fois dans la fabrication de matériel de laboratoire 17, ainsi que de faire microfldispositifs uidique pour les cellules 18 et des modèles de cristaux 19 ou 20 neurones. La manipulation de modèles physiques peut servir à promouvoir des discussions de collaboration qui peuvent inspirer de nouvelles idées. Les développements récents dans les technologies et les réductions d&#39;impression 3D dans le coût des imprimantes permet la création de complexes modèles 3D, physiques de biomolécules par un utilisateur individuel. Bien que la technologie d&#39;impression FFF est plus fréquent et moins coûteux que d&#39;autres méthodes, il pose un certain nombre de limitations. Le processus d&#39;impression 3D prend du temps, et les défaillances mécaniques ne se produisent. imprimantes FFF ne peuvent généralement imprimer un matériau par partie, limitant l&#39;affichage des informations de couleur. La résolution des modèles réalisés sur les imprimantes FFF est faible, autour de 100 um par couche. Nous conseillons au lecteur de travailler avec ces limites et de développer une approche pour leur imprimante et biomolécules (s) d&#39;intérêt. Nous avons présenté le processes nécessaires à un utilisateur de développer une représentation 3D personnalisé de leur biomolécules d&#39;intérêt qui est précis, informatif et imprimable. Comme pour toute nouvelle technologie, il y a souvent des «douleurs de croissance» qui doivent être surmontés au cours de son utilisation. Nous fournissons plusieurs exemples où les problèmes peuvent être rencontrés dans le processus de biomolécules d&#39;impression 3D (voir supplément 6). Enfin, à travers cet article, il est notre objectif de contribuer à la croissance d&#39;une communauté d&#39;utilisateurs engagés dans l&#39;impression 3D de biomolécules. Fait important, le NIH a établi une base de données pour le public de partager des modèles 3D et les méthodes utilisées pour les 10 imprimer. Nous encourageons fortement la participation à cette ressource unique (voir supplément 7 pour obtenir des instructions sur la façon de télécharger une copie du modèle 3D et des informations de base à l&#39;échange Imprimer NIH 3D).

Une compréhension approfondie de la fonction et l&#39;activité d&#39;une biomolécule nécessite la détermination de ses trois dimensions (3D) structure. Ceci est couramment réalisé à l&#39;aide cristallographie aux rayons X, RMN, ou la microscopie électronique. Structures 3D peuvent être compris à travers la perception des modèles ou des objets précis qui ressemblent aux structures qu&#39;ils représentent 1. Historiquement, la construction de modèles physiques en 3D était nécessaire pour les enquêteurs de valider, d&#39;explorer et de communiquer les hypothèses résultant en ce qui concerne la fonction de biomolécules. Ces modèles, tels que la double hélice de l&#39; ADN de Watson-Crick et l&#39; alpha de l&#39; hélice de Pauling, ont donné un aperçu unique sur les relations structure-fonction et étaient essentiels à notre compréhension précoce de l&#39; acide nucléique et la protéine structure-fonction 2, 3, 4. Bien que les complexes de protéines et d&#39;acides nucléiques modèles peuvent être créés, lele temps et le coût de la construction d&#39;un modèle physique a finalement été compensés par la relative facilité de visualisation moléculaire assistée par ordinateur. Le développement de l&#39; impression 3D, également connu comme additif de fabrication, a de nouveau permis la construction de modèles physiques de biomolécules 5. L&#39;impression 3D est le processus de fabrication, un objet physique en 3D à partir d&#39;un fichier numérique à travers l&#39;addition séquentielle de couches d&#39;un matériau (s). Différents mécanismes sont utilisés dans ce processus. Jusqu&#39;à récemment, les machines utilisées pour produire des modèles physiques de biomolécules étaient trop chers pour être largement utilisé. Cependant, dans la dernière décennie, la technologie d&#39;impression 3D, fusionnée filament fabrication (FFF) , en particulier, a progressé de manière significative, le rendant accessible pour l&#39; usage des consommateurs 6. imprimantes FFF sont maintenant couramment disponibles dans les écoles secondaires, les bibliothèques, les universités et les laboratoires. La plus grande abordabilité et l&#39;accessibilité de la technologie d&#39;impression 3Da permis de convertir des modèles 3D biomoléculaires numériques en précision, les modèles 3D biomoléculaires physiques 7, 8, 9. Ces modèles comprennent non seulement des représentations simples de biomolécules uniques, mais aussi des ensembles macromoléculaires complexes, tels que les ribosomes et les virus structures de capside. Cependant, le processus d&#39;impression des biomolécules individuelles et des assemblages macromoléculaires pose plusieurs défis, en particulier lors de l&#39;utilisation des procédés d&#39;extrusion thermoplastique. En particulier, les représentations de biomolécules ont souvent des géométries complexes qui sont difficiles pour les imprimantes à produire, et la création et le traitement des modèles numériques qui seront imprimées avec succès exige des compétences avec la modélisation moléculaire, modélisation 3D, et le logiciel de l&#39;imprimante 3D. Le flux de travail 3D pour l&#39;impression d&#39;une biomolécule large se produit en quatre étapes: (1) la préparation d&#39;un modèle biomoléculaire de son fichier de coordonnées pour l&#39;impression 3D;(2) d&#39;importer le modèle biomoléculaire dans un logiciel «tranchage» pour segmenter le modèle de l&#39;imprimante et de générer une structure de soutien qui physiquement soutenir le modèle biomoléculaire; (3) sélectionner le bon filament et l&#39;impression du modèle 3D; et (4) étapes de traitement post-production, y compris enlèvement de matière de support à partir du modèle (figures 1 et 2). La première étape de ce processus, la manipulation de calcul du fichier de coordonnées de la biomolécule, est critique. A ce stade, l&#39;utilisateur peut construire des renforts de modèle sous la forme d&#39;entretoises, ainsi que de retirer des structures qui sont étrangères à ce que l&#39;utilisateur choisit d&#39;afficher. En outre, le choix de la représentation est faite à ce stade: si vous souhaitez afficher tout ou partie de la biomolécule comme une représentation de surface, des rubans, et / ou des atomes individuels. Une fois les additions et / ou des soustractions de contenu nécessaires sont faites et la représentation est sélectionnée, la structure est enregistrée en tant que mo 3Dfichier del. Ensuite, le fichier est ouvert dans un second programme de logiciel pour convertir le modèle dans un fichier d&#39;impression 3D qui peut être imprimé, couche par couche, en une réplique en plastique de la biomolécule. Le but de notre protocole est de rendre la fabrication de modèles moléculaires accessibles au grand nombre d&#39;utilisateurs qui ont accès à des imprimantes, mais les technologies FFF d&#39;impression 3D ne plus coûteux. Ici, nous fournissons un guide pour l&#39;impression 3D de biomolécules à partir de données moléculaires en 3D, avec des méthodes qui sont optimisées pour l&#39;impression FFF. Nous détaillons comment maximiser l&#39;imprimabilité des structures biomoléculaires complexes et assurer simple post-traitement des modèles physiques. Les propriétés de plusieurs matériaux d&#39;impression courants ou filaments sont comparés, et des recommandations sur leur utilisation pour créer des impressions flexibles sont fournis. Enfin, nous présentons une série d&#39;exemples de modèles biomoléculaires 3D imprimés qui démontrent l&#39;utilisation de différentes représentations moléculaires.

<table><tbody><tr><td>Filament Filament</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>PLA Filament (rouleau de 1,0 kg)</td><td>Quantum3D Printing</td><td>http://quantum3dprinting.com/</td> <td>Filament PLA de très bonne qualité, fortement recommandé</td></tr><tr><td>Filament d’impression 3D flexible</td><td>NinjaFlex Ninjatek</td><td>https://ninjatek.com/</td> <td>Filament flexible de haute qualité</td></tr><tr><td>Filaments PLA PrimaValue & PrimaSelect</td><td>3DPrima</td><td>http://3dprima.com/</td> <td>Fournisseur européen de filaments</td></tr><tr><td><forts>Imprimantes</fort></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Prusa I3 MK2 Imprimante 3D</td><td>Prusa Research</td><td>http://www.prusa3d.com/</td> <td>Une imprimante 3D populaire</td></tr><tr><td>MakerGear M2 Revision E (M2e)</td><td>MakerGear</td><td>http://www.makergear.com/</td> <td>Imprimante fermée de très haute qualité</td></tr><tr><td>Ultimaker 2</td><td>Ultimaker</td><td>https://ultimaker.com/</td> <td>Imprimante très fiable, facile à utiliser, note la plus élevée sur 3Dhubs.com</td></tr><tr><td>Flashforge Creator Pro</td><td>Flashforge</td><td>http://www.flashforge-usa.com</td><td>Imprimante fiable, à double extrusion, note la plus élevée sur 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>Excellent logiciel de découpage</td></tr><tr><td>Netfabb</td><td>Autodesk</td><td>http://www.autodesk.com/education/free-software/netfabb</td><td>Logiciel de réparation de maillage, disponible gratuitement à des fins éducatives</td></tr><tr><td>Chimera</td><td>University of California, San Francisco</td><td>https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/</td> <td>Chimera molecular vizualizer</td></tr><tr><td>Meshmixer</td><td>Autodesk</td><td>http://www.meshmixer.com/</td> <td>Utilisé pour orienter les modèles, mais possède d’autres caractéristiques</td></tr></tbody></table>

impression 3d des modèles biomoléculaires pour la recherche et la pédagogie

3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy

La construction de modèles physiques tridimensionnels (3D) de biomolécules peut contribuer de manière unique à l’étude de la structure-fonction relationship. 3D les structures sont le plus souvent perçues à l’aide du support bidimensionnel et exclusivement visuel de l’écran d’ordinateur. La conversion de données moléculaires numériques 3D en objets réels permet de percevoir des informations à travers une gamme élargie de sens humains, y compris la vision stéréoscopique directe, le toucher et l’interaction. De tels modèles tangibles facilitent de nouvelles perspectives, permettent de tester des hypothèses et servent d’ancrages psychologiques ou sensoriels pour des informations conceptuelles sur les fonctions des biomolécules. Les progrès récents de la technologie d’impression 3D grand public permettent, pour la première fois, la fabrication rentable de modèles de biomolécules de haute qualité et scientifiquement précis dans une variété de représentations moléculaires. Cependant, l’optimisation du modèle virtuel et de ses paramètres d’impression est difficile et prend du temps sans conseils détaillés. Ici, nous fournissons un guide sur la conception numérique et la fabrication physique de modèles de biomolécules pour la recherche et la pédagogie à l’aide de logiciels open source ou à faible coût et d’imprimantes 3D à faible coût qui utilisent la technologie de fabrication de filaments fondus.

Modèles imprimables 3D stables et informatifs de biomolécules peuvent être préparés par: (i) les obligations d&#39;épaississants pour assurer la stabilité, (ii) la sélection soigneusement secondaire type ou style de représentation de la structure qui offrirait la plus grande perspicacité et la stabilité, (iii) l&#39; impression de la biomolécule dans plus d&#39;une représentation moléculaire, (iv) en utilisant un filament qui rend tout ou partie d&#39;une biomolécule flexible, ou (v) la génération d&#39; un ensemble complexe qui est modulaire ( par exemple, dans des pièces pouvant être connectées). Pour illustrer comment imprimer ces modèles informatifs et stables, nous nous sommes concentrés sur les composants de la chromatine et sur la production d&#39;un modèle hypothétique de la chromatine. La chromatine est un ensemble de protéines d&#39;ADN très complexe. La sous-unité de la protéine fondamentale de la chromatine est la protéine histone. Il existe quatre protéines histones, chacune constituée d&#39;une hélice-loop hélice (un «pli histone») suivie d&#39;une hélice alpha étendue et une seconde «pli histone». Structure de protéine histone peut être facilement produit en utilisant une représentation de «ruban» (figure 3A). En variante, la structure de la protéine histone peut être affiché en utilisant seulement sa surface (figure 3B). Il y a deux copies de chacun des quatre histones, qui assemblent pour former un octamère d&#39;histone globulaire. Le octamère d&#39;histone est trop grand pour imprimer entièrement comme une représentation de ruban ou de bâton, en raison de la plus grande échelle à laquelle ces caractéristiques doivent être imprimés. Ainsi, un tel assemblage complexe de protéine est mieux affiché en utilisant une représentation de surface (figure 3C). ADN tracer un chemin autour de l&#39;octamère d&#39;histones pour former un 10 nm de diamètre noyau nucléosome particules. Le chemin de l&#39; ADN peut être mieux affiché en imprimant deux modèles distincts et en utilisant un filament flexible pour l&#39;ADN (Figure 3D). particules de noyau nucléosome pileles uns sur les autres pour former un ensemble d&#39;ordre supérieur, une &quot;fibre&quot; 30 nm de diamètre une structure suprahelical gaucher. Pour mieux illustrer la façon dont les particules de noyau nucléosome 10 nm peuvent empiler pour former un 30-nm assemblage de la chromatine, l&#39; impression individuels particules &quot;di-nucléosome» (Figure 3E), puis les empiler après l&#39; impression (Figure 3F). Une fois maîtrisé la surface d&#39;extrusion et le ruban flux de travail unique décrit ci - dessus, d&#39; explorer faisant une gamme de modèles atomiques, moléculaires et composites, comme illustré sur la figure 4. Par exemple, combiner surface et ruban à des représentations mises à part les différentes parties d&#39;un complexe (voir l&#39; ADN polymérase, figure 4B). Faire des modèles plus instructifs et attrayants en utilisant une imprimante à double extrusion qui peut fondre deux filaments simultanément en un seul objet 3D (voir la figure 4C). Alternativement, les pièces de peinture des modèles (voir guanine et l&#39;hélice alpha, figure 4A). Imprimer et assembler les sous - unités d&#39;un complexe de protéines, comme le canal de sodium, ou de prendre encore plus loin en imprimant parties distinctes d&#39;un complexe et de les assembler plus tard dans un plus grand, le modèle multi-couleur (voir les complexes anticorps anti-VIH et ribosomal, Figure 4C). Ces modèles composites sont mieux en mesure de montrer des caractéristiques fonctionnelles par rapport aux impressions mono-filament. Différentes couleurs peuvent mettre en évidence, par exemple, glycosylation par rapport à la protéine (modèle VIH) ou de l&#39; ARN par rapport à la protéine (voir modèle ribosome, figure 4C). Ils permettent également la création de puzzles 3D éducatifs, comme la liaison de l&#39;anticorps à la surface du VIH (voir gp120 liée par l&#39; anticorps, la figure 4C), où une seule configuration 3D donne un ajustement serré des deux parties. Instructions sur l&#39;impression de ces modèles peuvent être trouvés dans le supplément 5. En outre, nous avons fourni une vidéo supplémentaire illustrant la construction d&#39;un modèle 3D de ee Fo / F1 protons de l&#39;ATP synthase qui a été imprimé en morceaux et assemblés de telle manière afin qu&#39;il puisse récapituler le mécanisme de rotation qui se produit au cours de ce mécanisme catalytique des enzymes. <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig1.jpg" /> Figure 1. Flux de travail pour préparer et imprimer un modèle 3D. Illustrés sont les étapes de la production d&#39; une impression physique 3D biomoléculaire: (i) la préparation du modèle, y compris la sélection de la représentation; (Ii) l&#39; ouverture d&#39; un fichier .stl sauvé du modèle et le traitement du fichier en utilisant le logiciel de tranchage; (Iii) l&#39; impression du modèle et le choix du matériau ou de filament; et enfin, (iv) la réalisation des étapes de post-production.<a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig1large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig2.jpg" /> Figure 2. Visuals de différentes représentations de modèles à différents stades de préparation. Rangée du haut: les représentations communes des deux modèles (ubiquitine (PDB 1UBQ) et arginine) visualisée à l&#39;aide du programme Chimera. Rangée du milieu: Le parcours d&#39;impression généré à partir des modèles STL Chimera, coloré par le type de l&#39; ubiquitine et de l&#39; arginine caractéristique (orange: motif de remplissage; bleu foncé: coque extérieure; bleu clair: intérieure shell). Rangée du bas: impressions finales de l&#39; ubiquitine et de l&#39; arginine. modèles de surface et deux rubans de ubiquitine imprimés à 300% de la sortie STL par défaut Chimera (Chimère par défaut est de 1 nm dans le modèle et 1 cm en impression), tandis que le modèle d&#39;arginine wcomme imprimé à 1000%. Les modèles de ruban ou de bâton par défaut Chimera sont trop minces pour imprimer correctement, mais les versions épaissies seront imprimées de manière fiable. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig2large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="figure 3" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig3.jpg" /> Figure 3. Etude de cas nucléosomes. (A) de la protéine H3 simple histone rendu par épaississement &quot;rubans&quot; , imprimé à 300%. (B) Histone H3 protéine de représentation &quot;de surface&quot;, imprimé à 200%. (C) protéine Histone octamère imprimé à 100%. (D) protéine Histone octamère (orange) dans un complexe avec l&#39; ADN flexible (blanc) imprimé à 100%. Modèle de surface (E) Dinucleosome imprimé avec un rayon de la sonde par défaut et imprimé à l&#39; échelle 100%. (F) un model de la chromatine &quot;fibre 30 nm&quot; créée par l&#39;empilement manuellement des modèles imprimés individuellement de la dinucleosome &quot;10 nm&quot;, où la surface a été rendue avec un rayon de sonde de 3 nm, imprimé à 50% et 25% de tailles et tenue conjointement avec Play-Doh. impressions 3D ont été générées à partir d&#39;un modèle de la dinucleosome (PDB 1ZBB). Tous les modèles sont disponibles gratuitement en téléchargement sur le NIH 3D Print échange 11. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig3large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig4.jpg" /> Figure 4. Exemples de modèles 3D-imprimés produits en utilisant des imprimantes à incandescence. (A) à gauche, un modèle de boule-et-bâton de molécules d&#39;eau dans les cristaux de glace hexagonaux (double filament impression). Moyen, le modèle d&#39;un nucléotide (guanine). A droite, une protéine alpha h<html> elix backbone seul modèle montrant des liaisons hydrogène (noir). Guanine et l&#39;hélice alpha sont colorées manuellement Sharples. (B) gauche, canal de sodium, composé de 4 sous - unités qui peuvent être réunis (PDB 3E89). Moyen, Plasmodium falciparum L-lactate déshydrogénase (PDB 1T2D) imprimé en rubans. À droite, le modèle du site actif de l&#39;ADN polymerase (APB 1KLN), montrant que l&#39;ADN et des protéines de surface comme des rubans. (C) à gauche, le VIH enveloppe lipidique avec la glycoprotéine (PDB 5FUU) lié par des anticorps (PDB 1IGT), imprimés à 15%. Milieu, le détail de la surface de l&#39;antigène de la glycoprotéine à 150%, avec la région variable de l&#39;anticorps montré que les rubans (APB 5FYJ). Droit, les modèles de la bactérie 70S ribosome (PDB 4V5D) à 40% et 20%. Les pourcentages se réfèrent à la sortie Chimera standard, où 100% signifie 1 nm dans les empreintes de molécules que 1 mm. Tous les modèles sont disponibles gratuitement en téléchargement sur le NIH 3D Print échange 11.oad / 55427 / 55427fig4large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Les modèles physiques de biomolécules peuvent faciliter la compréhension de leur structure-fonction pour le chercheur, faciliter la communication entre les chercheurs et servir d’outil pédagogique dans les efforts pédagogiques. Ici, nous fournissons des conseils détaillés pour l’impression 3D de modèles précis de biomolécules à l’aide d’imprimantes 3D de bureau de fabrication de filaments fondus.

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

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

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 permet de concevoir des modèles imprimables en 3D de biomolécules, à partir de données structurales, puis de les fabriquer à l'aide d'imprimantes 3D peu coûteuses. L'impression 3D de modèles physiques facilite l'interaction et la discussion sur la structure et la fonction moléculaire.L'interaction avec les modèles offre une perception intuitive largement supérieure à ce qui est possible sur ordinateur. Pour commencer, récupérez tout d'abord le fichier de structure PDB de la molécule d'intérêt en saisissant le code PDB dans UCSF Chimera. Ensuite, augmentez le diamètre du ruban afin qu'il puisse être correctement imprimé.Utilisez le menu de l'éditeur de style ruban sous Outils et Représentation. Dans 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.Ensuite, modifiez le style de liaison pseudocovalente en « stick » et réglez le rayon à 0,6. Exportez maintenant la représentation affichée sous forme de fichier 3D. Sélectionnez STL comme type de fichier et enregistrez le modèle.Un traitement supplémentaire est nécessaire avant l'impression. Une réparation est requise en raison du chevauchement d'objets, un phénomène très fréquent dans les modèles complexes. Pour corriger cela, ouvrez Autodesk NetFabb et importez le fichier STL exporté depuis Chimera.Dans NetFabb, ouvrez le menu Extras et sélectionnez Automatic Part Repair, puis choisissez Extended Repair, et attendez pendant que le fichier est traité. Pour les petits modèles, cela prendra quelques secondes, mais pour les grands modèles, cela peut prendre plusieurs minutes. Une fois le modèle traité, enregistrez le résultat.Cliquez avec le bouton droit sur le modèle et sélectionnez Exporter la pièce et En tant que STL, ou utilisez Projet et Exporter le projet en tant que STL. Le programme ajoute « réparé » au nom du fichier afin de le distinguer du fichier d'origine. Le modèle STL peut être automatiquement orienté à l'aide d'Autodesk Meshmixer, ou orienté manuellement dans un environnement 3D simplifié.L'orientation optimale permet une utilisation réduite de la pièce et diminue les risques de défaillance lors de l'impression. Pour une orientation automatique, ouvrez Meshmixer et importez le fichier STL réparé. Ensuite, sélectionnez Analyse et Orientation.Réglez la valeur du poids de la résistance à 100. Réglez la valeur du poids du volume de support à zéro. Réglez le poids de la surface de support à zéro, puis cliquez sur Mettre à jour.Le modèle est ensuite pivoté afin de minimiser le nombre de débords. Pour valider l'orientation obtenue, ouvrez le menu déroulant et exportez le résultat sous forme d'un fichier STL binaire. Ouvrez le logiciel de découpage et sélectionnez le fichier STL.Double-cliquez sur le modèle et saisissez le facteur d'échelle. La valeur par défaut est 10 millions, ce qui signifie qu'un centimètre sur le modèle imprimé équivaut à un nanomètre dans la molécule. Ensuite, redimensionnez les représentations en rubans et en bâtonnets à au moins 300 % afin qu'elles soient suffisamment grandes pour être imprimées.Les surfaces peuvent être redimensionnées selon les besoins. Ajustez l'orientation du modèle si désiré, puis générez les structures de support pour le modèle. Cliquez sur l'icône Support et sélectionnez les supports normaux.Spécifiez un angle de surplomb maximal de 50 degrés et une résolution de pilier adaptée à la taille des caractéristiques de votre modèle, comme trois millimètres dans cet exemple. Cliquez ensuite sur Générer automatiquement les supports. Ces structures maintiendront en place les parties séparées et en surplomb du modèle pendant l'impression.Ensuite, modifiez les supports générés automatiquement afin d'ajouter les supports manquants et de supprimer ceux qui sont superflus. Premièrement, utilisez l'outil Ajouter des supports pour vous assurer que toutes les structures en porte-à-faux sont correctement soutenues et qu'aucune structure ne reste en suspension dans le vide. Deuxièmement, utilisez l'outil Supprimer les supports pour éliminer les supports et les cavités internes, telles que l'intérieur des hélices alpha ou des poches de liaison.Maintenant, ajoutez un processus d'impression pour préparer le fichier G-code du modèle 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 du matériau. Puis, ajoutez un radeau pour fixer le modèle et les supports.Utilisez un remplissage de 50 % pour les modèles en ruban et de 20 % pour les modèles en surface. De nombreux autres paramètres peuvent être ajustés pour réussir l'impression. Consultez la documentation du programme sur le site web pour plus de détails.Ensuite, cliquez sur Préparer l'impression, puis sélectionnez le processus approprié. Ceci divisera le modèle en couches et construira un trajet que la buse de l'imprimante devra suivre. Les problèmes présents sur le modèle susceptibles de provoquer un échec de l'impression peuvent souvent être détectés dans l'aperçu du trajet.Il est important d'inspecter toujours la trajectoire générée et, si nécessaire, de retravailler votre modèle. Enfin, examinez la trajectoire de code G à la recherche d'erreurs. Recherchez l'absence de supports sous les saillies, les structures isolées hautes qui pourraient être renversées, les cavités indésirables ou les zones trop fines pour être imprimées.Si la trajectoire d'impression semble satisfaisante, enregistrez-la sous forme de fichier G-code. Sinon, modifiez le modèle, l'orientation ou les paramètres du procédé, puis réessayez. Pour commencer, préparez l'imprimante en chargeant le filament et en vous assurant que le plateau est bien à niveau.Ensuite, exécutez le G-Code sur l'imprimante, soit en le diffusant depuis un ordinateur, soit à partir d'une carte SD connectée à l'imprimante. Surveillez l'impression jusqu'à ce que la première couche soit correctement terminée, et interrompez le processus en cas d'erreur. Les imprimantes 3D de bureau sont sujettes aux dysfonctionnements, ce qui peut décourager les nouveaux utilisateurs.Nous avons listé les problèmes courants et leurs solutions en annexe, et nous encourageons le lecteur à utiliser les ressources en ligne pour diagnostiquer les problèmes de leur imprimante. Une fois l'impression terminée, laissez refroidir le modèle à température ambiante, puis détachez-le du plateau d'impression en le tirant doucement sur le côté. Si le radeau adhère fortement au plateau d'impression, décollez-le soigneusement à l'aide d'un bord tranchant.Ensuite, retirez les structures de support du modèle à l'aide de pinces standard. La plupart peuvent être retirées avec des pinces standard, et celles qui sont difficiles d'accès ou reliées à des structures délicates peuvent être retirées à l'aide de pinces coupantes. Un modèle en ruban de l'ubiquitine révèle la structure des hélices alpha et des feuillets bêta, ainsi que l'emplacement des liaisons hydrogène.Par comparaison, un modèle de surface de l'ubiquitine pourrait également être réalisé. Un modèle d'une hélice alpha avec une représentation atomique montre comment les résidus d'acides aminés s'unissent par des liaisons hydrogène pour former une structure secondaire en hélice. Un modèle de la protéine histone H3 peut être réalisé en représentations ruban et surface.Ces modèles révèlent comment plusieurs histones peuvent interagir entre elles pour former des complexes plus grands. Un octamère de protéines histones constitue le cœur d'un nucléosome, mettant en évidence la structure quaternaire des sous-unités d'histones. L'ADN qui s'enroule autour de l'octamère d'histones, formant la particule de base du nucléosome, est imprimé en filament souple, ce qui permet de le retirer, de le tordre et de le replier.Enfin, un modèle physique de dinucléosome montre comment les particules de nucléosomes s'assemblent en formant des « perles sur un fil ». 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.On peut les manipuler, les pointer ou les transmettre entre chercheurs et étudiants. Ces actions peuvent améliorer la communication des idées ou aider à souligner des caractéristiques de la molécule. Étant donné que les modèles moléculaires possèdent une géométrie 3D complexe, leur impression peut être difficile et nécessiter plusieurs essais et ajustements.Notre protocole aidera l’utilisateur à surmonter certains des problèmes les plus courants liés à ce processus. En suivant cette protocole, vous serez en mesure de créer un modèle 3D numérique d'une biomolécule, de traiter le fichier 3D, puis de fabriquer un modèle physique à l’aide d’une imprimante 3D à fabrication par dépôt de filament fondu.

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Utilisation d'extrusion de plastique moderne et les technologies d'impression, il est désormais possible de produire rapidement et à moindre coût des modèles physiques de données CT à rayons X prises dans un laboratoire. L'impression en trois dimensions des données tomographiques est un puissant de visualisation, de recherche et outil éducatif qui peut maintenant être consulté par la communauté de l'imagerie préclinique.

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Apprenez à créer et imprimer en 3D des modèles biomoléculaires précis avec des imprimantes de bureau abordables. Cette méthode utilise UCSF Chimera et Autodesk NetFabb pour faciliter l'enseignement et la recherche en biologie structurale.

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

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