Articolo metodologico

La stampa 3D dei modelli biomolecolari per la Ricerca e Pedagogia

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DOI:

10.3791/55427

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13 marzo 2017

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1Department of Physics, Brandeis University, 2Bioinformatics and Computational Biosciences Branch (BCBB), NIH/NIAID/OD/OSMO/OCICB, 3Library/LTS/MakerLab, Brandeis University, 4Interfaculty Institute of Biochemistry (IFIB), University of Tübingen, 5Winship Cancer Institute, Emory University School of Medicine

In questo articolo

Sommario

I modelli fisici delle biomolecole possono facilitare la comprensione della loro struttura-funzione per il ricercatore, aiutare nella comunicazione tra i ricercatori e servire come strumento educativo negli sforzi pedagogici. Qui, forniamo una guida dettagliata per la stampa 3D di modelli accurati di biomolecole utilizzando stampanti 3D desktop per la fabbricazione di filamenti fusi.

Abstract

La costruzione di modelli fisici tridimensionali (3D) di biomolecole può contribuire in modo univoco allo studio della struttura-funzione relationship. 3D le strutture sono spesso percepite utilizzando il mezzo bidimensionale ed esclusivamente visivo dello schermo del computer. La conversione di dati molecolari digitali 3D in oggetti reali consente di percepire le informazioni attraverso una gamma ampliata di sensi umani, tra cui la visione stereoscopica diretta, il tatto e l'interazione. Tali modelli tangibili facilitano nuove intuizioni, consentono la verifica delle ipotesi e fungono da ancore psicologiche o sensoriali per informazioni concettuali sulle funzioni delle biomolecole. I recenti progressi nella tecnologia di stampa 3D di consumo consentono, per la prima volta, la fabbricazione economica di modelli di biomolecole di alta qualità e scientificamente accurati in una varietà di rappresentazioni molecolari. Tuttavia, l'ottimizzazione del modello virtuale e dei suoi parametri di stampa è difficile e richiede tempo senza una guida dettagliata. Qui, forniamo una guida sulla progettazione digitale e la fabbricazione fisica di modelli di biomolecole per la ricerca e la pedagogia utilizzando software open source o a basso costo e stampanti 3D a basso costo che utilizzano la tecnologia di fabbricazione di filamenti fusi.

Introduzione

Una comprensione completa della funzione e l'attività di una biomolecola richiede la determinazione della sua struttura tridimensionale (3D). Ciò si ottiene normalmente mediante cristallografia a raggi X, NMR, o microscopia elettronica. Strutture 3D possono essere comprese attraverso la percezione di modelli o oggetti accurati assomigliano le strutture che rappresentano 1. Storicamente, la costruzione di modelli 3D fisici era necessario per gli investigatori per convalidare, esplorare e comunicare le ipotesi derivanti per quanto riguarda la funzione di biomolecole. Questi modelli, come il DNA a doppia elica di Watson-Crick e alfa elica di Pauling, a condizione visione unica relazioni struttura-funzione e sono stati fondamentale per la nostra comprensione precoce di acidi nucleici e proteine struttura-funzione 2, 3, 4. Sebbene i modelli di acido nucleico proteine ​​complesse e possono essere creati, latempo e costo di costruzione di un modello fisico è stato finalmente superato dalla relativa facilità di visualizzazione molecolare assistita dal computer.

Lo sviluppo della stampa 3D, noto anche come additivo di fabbricazione, ha nuovamente permesso la realizzazione di modelli fisici di biomolecole 5. stampa 3D è il processo di fabbricazione di un oggetto fisico 3D da un file digitale attraverso l'aggiunta sequenziale di strati di un materiale (s). Una varietà di meccanismi sono utilizzati in questo processo. Fino a poco tempo, le macchine utilizzate per la produzione di modelli fisici di biomolecole erano troppo costosi per essere ampiamente utilizzato. Tuttavia, negli ultimi dieci anni, la tecnologia di stampa 3D, fuso filamento fabbricazione (FFF), in particolare, ha avanzato in maniera significativa, rendendolo accessibile ad uso dei consumatori 6. stampanti FFF sono ora comunemente disponibili nelle scuole, biblioteche, università e laboratori. La maggiore accessibilità e l'accessibilità della tecnologia di stampa 3Dha permesso di convertire modelli 3D digitali in biomolecolari accurati, fisici modelli biomolecolari 3D 7, 8, 9. Tali modelli comprendono non solo rappresentazioni semplici di singole biomolecole, ma anche complessi macromolecolari complesse, quali le strutture del capside ribosoma e virus. Tuttavia, il processo di stampa di singole biomolecole e assiemi macromolecolari pone diversi problemi, specialmente quando si utilizzano metodi di estrusione termoplastici. In particolare, le rappresentazioni di biomolecole hanno spesso geometrie complesse che sono difficili per le stampanti di produrre, e la creazione e l'elaborazione di modelli digitali che verranno stampati con successo richiede abilità con modellistica molecolare, modellazione 3D e software di stampa 3D.

Il flusso di lavoro 3D per la stampa di una biomolecola ampiamente avviene in quattro fasi: (1) preparare un modello biomolecolare dal suo file di coordinate per la stampa 3D;(2) di importare il modello biomolecolare in un software "taglio" per segmentare il modello per la stampante e per generare una struttura di supporto che fisicamente tenere in piedi il modello biomolecolare; (3) selezionando il filamento corretta e la stampa del modello 3D; e (4) fasi di lavorazione post-produzione, compresa la rimozione materiale di supporto dal modello (figure 1 e 2). Il primo passo in questo processo, computazionalmente manipolare il file coordinate del biomolecole, è critica. A questo punto, l'utente può costruire rinforzi modello in forma di puntoni, nonché rimuovere strutture che sono estranei a ciò che l'utente sceglie di visualizzare. Inoltre, la scelta della rappresentazione viene effettuata in questa fase: se visualizzare tutta o parte della biomolecola come rappresentazione di superficie, nastri e / o singoli atomi. Una volta che le aggiunte e / o sottrazioni di contenuti necessari sono fatte e si seleziona la rappresentazione, la struttura viene salvato come mo 3Ddel file. Successivamente, il file viene aperto in un secondo programma software per convertire il modello in un file di stampa 3D che può essere stampato, strato per strato, in una replica di plastica della biomolecole.

L'obiettivo del nostro protocollo è quello di rendere la realizzazione di modelli molecolari accessibili al grande numero di utenti che hanno accesso alle stampanti FFF, ma non più costose tecnologie di stampa 3D. Qui, mettiamo a disposizione una guida per la stampa 3D di biomolecole da dati molecolari in 3D, con i metodi che sono ottimizzati per la stampa FFF. Noi dettaglio come massimizzare la stampabilità di strutture biomolecolari complessi e garantire la semplice post-elaborazione di modelli fisici. Le proprietà dei vari materiali per la stampa comune o filamenti sono confrontati, e raccomandazioni per il loro utilizzo per creare stampe flessibili sono forniti. Infine, vi presentiamo una serie di esempi di modelli biomolecolari 3D-stampati che illustrano l'utilizzo di diverse rappresentazioni molecolari.

Protocollo

1. Preparazione File 3D del modello per la stampa

NOTA: i file di modello 3D di biomolecole può essere generato attraverso due metodi: (1) in linea con gli strumenti automatizzati di NIH 3D di Exchange 10, o (2) a livello locale utilizzando software di modellazione molecolare. Automaticamente modelli generati useranno i processi descritti in questo protocollo per creare rappresentazioni stampabili, ma i dettagli della rappresentazione non può essere scelto dall'utente. Al contrario, la generazione di modello personalizzato permette all'utente il controllo sulle proprietà visive del biomolecole. atomi individuali, residui, e le obbligazioni possono essere visualizzati, e la scala di nastri, obbligazioni, e puntoni possono essere specificati. Il NIH 3D di Exchange strumenti automatizzati e il protocollo di sotto entrambi utilizzano UCSF Chimera, un libero e open source modellistica molecolare pacchetto software 11 che ben si adatta a esportare i file 3D di biomolecole. Tutti i file 3D esportati da Chimera uso Angstrom perl'unità di distanza. Quando questi file vengono importati in un software di taglio a 1 unità mm / distanza, i modelli verranno scalati a 10 milioni di volte ingrandimento.

  1. Generazione automatica di un modello 3D da stampare con la stampa scambio NIH 3D
    NOTA: La Guida di Exchange NIH 3D esegue gli script Chimera, che sono simili alle operazioni descritte nei passaggi 1,2-1,3.
    1. Individuare il file di dati molecolari della struttura biomolecolare per stampare da un database: o il PPB, EMDB, o PubChem (supplemento 1.1). Registrare il numero di accesso per l'biomolecole di interesse.
    2. Passare alla Guida di Exchange NIH 3D (3dprint.nih.gov) e creare un nuovo account utente, se un utente la prima volta.
    3. Passare alla funzione "Invia rapida", inserire il codice biomolecole adesione, e clicca su Invia.
    4. Dopo aver generato il modello di biomolecole, accedere alla pagina del modello e scaricare il file STL biomolecole a "nastro"O" rappresentazione superficiale ". Passare alla sezione 2 del protocollo.
  2. Generare un modello molecolare personalizzato con UCSF Chimera
    NOTA: maggiore dettaglio sull'utilizzo Chimera per realizzare modelli 3D, tra cui gli equivalenti della riga di comando per molti passaggi, può essere trovato in supplemento 1.2.
    1. Scaricare e installare UCSF Chimera (https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html).
    2. Utilizzando Chimera, recuperare il file di dati molecolari effettuando una delle seguenti operazioni:
      1. Utilizzando il comando File barra degli strumenti> Fetch per ID, immettere un codice di adesione PubChem, PDB, o EMDB per recuperare il file direttamente dal database.
      2. Utilizzando il comando della barra degli strumenti File> Apri, recuperare un file di dati molecolari locale; Per impostazione predefinita, la molecola mostrerà nastri per proteine ​​e acidi nucleici, gli atomi e le obbligazioni per ligandi, e residui entro 5 A di un Ligand.
      3. Utilizzo della riga di comando Chimera, si accede andando a Preferiti> riga di comando, utilizzare il comando Apri e inserire il codice di adesione.
  3. Preparazione di una rappresentazione 3D stampabile di una biomolecola
    NOTA: Ci sono diversi modi che una struttura biomolecolare può essere visualizzato o rappresentati. La scelta di una particolare rappresentazione per la stampa dovrebbe essere fatta basata sul modo migliore per garantire la maggiore comprensione della struttura-funzione di biomolecole. Comunemente utilizzati rappresentazioni includono "nastri", "superficiale" e "atomi / obbligazioni". Tuttavia, è migliore per esplorare utilizzando una combinazione di queste rappresentazioni per visualizzare catene laterali selezionare o leganti. Inoltre, la struttura 3D-stampata deve essere sufficientemente robusto da stampare e di non rompersi quando maneggiato. Pertanto, è importante considerare questo quando si seleziona una rappresentazione o visualizzare una catena laterale. also prendere in considerazione l'introduzione di strutture di supporto, o "montanti". Infine, quando si stampa il modello, sarà importante per scalare in modo che tutte le funzioni verranno stampati correttamente. Così, per biomolecole più grandi, la stampa interamente in nastri o rappresentazioni atomo potrebbe non essere possibile a causa della scala a cui questi avrebbe bisogno di essere stampato.
    1. Generazione di una rappresentazione 3D stampabile in "nastri"
      Nota: Più particolare può essere trovato nel supplemento 1.2.1.
      1. Selezionare il "solvente", visibile, che comprende gli ioni, utilizzando Select> Struttura> solvente.
      2. Nascondere il selezionato "solvente" utilizzando Azioni> atomi / Obbligazioni> Nascondi.
      3. Addensare il diametro del nastro in modo che può essere stampato con successo. Utilizzare il menu Ribbon Style Editor in Strumenti> scatto fotografico.
        NOTA: Suparametri ggested per un primo tentativo: nella scheda Scala, modificare l'altezza di ogni elemento ad almeno 0.7 e la larghezza di ogni impostazione per almeno i seguenti: Coil 0.7; Helix 1.4; Scheda: 1.4; Freccia (base): 2,1; Freccia (punta) 0,7; Nucleici 1.0.
      4. Se un acido nucleico è presente, alterare la rappresentazione di base con Azioni> Obbligazioni atomi /> oggetti nucleotidiche> Impostazioni. Modificare la visualizzazione di zucchero / base alla scaletta e il raggio piolo a 0,6.
      5. Opzionale: Passare al punto 1.3.3 per introdurre strutture di supporto.
    2. Generare una rappresentazione 3D-printable "superficiale" della molecola
      NOTA: Più particolare può essere trovato nel supplemento 1.2.2.
      1. Nascondi tutte le rappresentazioni precedenti. Utilizzare Azioni> atomi / Obbligazioni> nascondere, e azioni> Nastri>nascondere.
      2. Durante il rendering atomi come sfere, regolare il raggio selezionando l'atomo desiderato (s) e andare alle azioni> Menu Inspect.
        NOTA: La modifica del raggio atomico di default può rendere più facile per distinguere i diversi tipi di atomi nel modello stampato.
      3. Nascondere eventuali visualizzato nastri, gli atomi, obbligazioni e pseudobonds utilizzando Azioni> atomi / Obbligazioni> nascondere e azioni> Nastri> Nascondi.
      4. Se dettagli della superficie si desidera, aggiungere atomi di idrogeno in modo che il calcolo superficie è più accurato. Fate clic su Strumenti> Struttura Modifica> ADDH.
      5. Genera una superficie inserendo il surf # 0 griglia 0.5 nella riga di comando.
    3. Generare una rappresentazione 3D stampabile in "atomi / obbligazioni".
      NOTA: Più particolare può essere trovato nel supplemento 1.2.3.
      1. Nascondere il solvente. UsoSelezionare> Struttura> solvente e quindi Azioni> atomi / Obbligazioni> nascondere.
      2. Visualizzare i residui specifici e / o ligandi nella rappresentazione come gli atomi e le obbligazioni selezionando e mostrando con azioni> atomi / Obbligazioni> show. Il modo in cui gli atomi sono rappresentati può essere modificata nel Azioni> Atomi / Obbligazioni discesa selezionando bastone, palla e bastone, o sfera.
      3. Dopo aver effettuato una selezione, aumentare il raggio del bastone o di palla e bastone rappresentazioni con le azioni> Menu Inspect.
      4. Opzionale: Passare al punto 1.3.4 per introdurre strutture di supporto.
  4. L'aggiunta di un supporto strutturale per una rappresentazione in 3D stampabile
    NOTA: Più particolare può essere trovato in integratori 1.2.4 e 1.2.5. In questa fase, puntoni possono essere aggiunti al modello 3D. E 'consigliato per alfa-eliche e le strutture secondarie beta-sheet per includere legami idrogeno spina dorsale per la stabilità, anche se piccole proteine (ad esempio, meno di 50 residui) sono spesso rappresentati come un nastro con uno spessore tipico e possono stampare anche senza tale supporto. Tuttavia, per le proteine ​​più grandi, anche con l'aggiunta di legami idrogeno, molti modelli nastro sono ancora troppo delicato per essere stampato con successo. Puntoni sono collegamenti fisici all'interno del modello che non riflettono alcuna proprietà molecolare ma aggiungere alla resistenza meccanica, facilitando così la stampa e manipolazione. Chimera offre un modo rapido per aggiungere automaticamente puntoni di un modello con il comando puntone tramite la riga di comando, e singoli puntoni può anche visualizzare essere manualmente utilizzando lo strumento distanze.
    1. Visualizzare legami idrogeno per preparare una stampa più robusto. Utilizzare il menu Strumenti> Struttura Analisi> FindHBond.
    2. Fate clic su Strumenti> Generale ContRols> PseudoBond pannello per modificare i legami idrogeno. Selezionare i pseudobonds "legame idrogeno", fare clic sul pulsante attributi e selezionare la casella "Componente PseudoBond Attributi". Nel pannello inferiore, modificare lo stile di legame da filo per attaccare e il valore del raggio 0,2-0,6.
    3. Opzionale: Aggiungere struttura di supporto (s), o "montanti", utilizzando il comando montanti. Per creare montanti blu con un raggio di 1,0 A in carbonio alfa di ogni 70 residui non oltre 8 A a parte, utilizzare il comando: puntoni @ca lunghezza 8 loop di 70 colore blu rad 1.0 fattenRibbon falso.
    4. Facoltativo: per creare i singoli montanti con lo strumento distanze, selezionare due atomi di shift-ctrl-click su ciascuno di loro, usate Strumenti> Struttura Analisi> Distanze, e fare clic su Crea per aggiungere un pseudobond. Navigate al Pannello PseudoBond, selezionare i pseudobonds "del monitor a distanza", fare clic sul pulsante di attributi, e selezionare la casella "Componente PseudoBond Attributi". Nel pannello inferiore, modificare lo stile di legame da filo per attaccare e il valore del raggio 0,2-0,01.
    5. Esportare il rendering Chimera come file modello 3D STL
      1. Una volta che la rappresentazione desiderato è stato ottenuto, l'uso File> Esporta scena per esportare il file 3D. Selezionare STL come tipo di file e il nome e salvare il modello. Nota: Questo file STL può essere riparato, orientato, e stampata come descritto nella sezione 2 del protocollo.

2. I file STL processo per la stampa

  1. File Repair STL con Autodesk Netfabb
    NOTA: Un modello potrebbe essere necessario riparare quando contiene più parti sovrapposte con intersecting geometrie, che è generalmente il caso con i modelli a nastro e modelli atomici. Sovrapposizione geometria può causare errori quando il file viene letto da alcuni software taglio, come le regioni che si intersecano possono essere interpretati come l'esterno del modello. Ulteriori dettagli possono essere trovate in supplemento 2.1.
    1. Scaricare e installare la versione standard del software.
    2. Aprire il programma e importare il file STL da riparare. Se ci sono problemi con la maglia, verrà visualizzato un segnale di avvertimento.
    3. Utilizzare Extra> Riparazione automatica parte, selezionare Riparazione estesa, e attendere che il file viene elaborato; per i piccoli modelli, questo richiederà secondi, ma per i modelli di grandi dimensioni, si può richiedere alcuni minuti.
    4. Pulsante destro del mouse sul modello e selezionare Esporta Parte> Come STL o utilizzare Project> Esporta Progetto come STL per salvare il modello riparato; il programma aggiungerà "riparato" alil nome del file per distinguerlo dal file originale.
  2. Modelli Orient per la stampa con Autodesk Meshmixer
    NOTA: orientamento ottimale di un modello prima affettare ridurrà il numero di sporgenze e quindi il numero di supporti richiesti durante il processo di stampa. Un modello orientato in modo ottimale sarà di stampa più veloce, usa meno materiale, ed essere meno probabilità di fallire durante la stampa. Più dettagli si possono trovare nel supplemento 2.2.
    1. Scaricare e installare il software
    2. Importare il file STL riparato nel programma.
    3. Selezionare Analisi> Orientamento.
    4. Regolare il valore di peso Forza a 100, il valore di sostegno Vol Peso a 0, Supporto Area Peso a 0, e quindi aggiornare il modello. Ciò ruotare il modello per minimizzare il numero di sporgenze. Accetta l'orientamento risultante.
    5. Utilizzare File> Esporta e scegliere il file STL binario dal menu a discesa. Salvare il file.

3. affettare e stampa

  1. Selezionare un materiale filamento
    NOTA: La scelta di un materiale di stampa deve essere eseguita prima di utilizzare un software di affettatura, le impostazioni di stampa saranno diversi del materiale selezionato. I tre materiali che sono ampiamente usati sono l'acido polilattico (PLA), elastomeri termoplastici (TPE), e acrilonitrile butadiene stirene (ABS). PLA è generalmente il materiale più efficace per la stampa di modelli molecolari dettagliati, mentre si raffredda rapidamente, aderisce bene alla piastra build e raramente fili di ordito. TPE è un materiale simile a PLA e può essere usato per produrre modelli flessibili. E 'consigliato per modelli di superficie di proteine ​​complementari o modelli nastro proteine. ABS è più forte e più flessibile di PLA, ma produce particelle potenzialmente pericolose durante la stampa 12. Non è generalmente consigliato per la stampa di modelli molecolari, come i più alti risultati di temperatura del materiale a Less produzione precisa di piccole caratteristiche. Più dettagli si possono trovare nel supplemento 3.1.
    1. Stampa con acido polilattico (PLA).
      1. Regolare la temperatura degli ugelli a 210 ° C. Per garantire l'adesione della parte al letto, impostare la temperatura del letto a 70 ° C. Se si utilizza un letto non riscaldata, coprirlo con del nastro pittori. Utilizzare raffreddamento attivo.
    2. Stampa con elastomeri termoplastici (TPE)
      1. Ripetere il punto 3.1.1.1. Impostare la velocità di stampa a 1.200 mm / min o meno.
    3. Stampa con acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS)
      1. Non utilizzare il raffreddamento. Impostare la temperatura dell'ugello a 240 ° C. Per garantire l'adesione della parte al letto, impostare la temperatura del letto a 110 ° C.
  2. Genera G-code
    NOTA: Il modello verrà importato a 10 milioni di volte di ingrandimento per impostazione predefinita. modelli nastro dovrebbero essere scalata a 20 milioni di volte (200%) o superiore. modelli di superficie print ben al 100% o superiore. Più dettagli si possono trovare nel supplemento 3.2.
    1. Scaricare e installare il software affettare la stampa.
    2. Utilizzare File> Importa modello e selezionare il file STL riparato e orientato.
    3. Scalare il modello facendo doppio clic sul modello e inserendo il fattore di scala nella finestra sul lato destro dello schermo.
    4. Generare strutture di supporto per il modello. Selezionare l'icona di supporto e utilizzare supporti normali, con risoluzione pilastro 1 e un angolo di sbalzo massimo di 50 °.
    5. Clicca generare tutti i supporti. Aggiungere o rimuovere funzionalità struttura di supporto per personalizzare il posizionamento di supporto.
    6. Selezionare un processo e fare clic su Impostazioni di processo di modifica.
    7. Configurare il profilo per la stampante e il materiale che viene utilizzato.
      NOTA: una zattera e bordo dovrebbero essere inclusi, e modelli di nastro devono essere stampati al 100% di riempimento. impostazioni del profilo dettagliate si possono trovare in supplement 3.2.
    8. Convertire il modello in un file G-codice che può essere letto dalla stampante. Fare clic su "preparare per la stampa" e selezionare il processo che contiene il profilo della stampante / materiale. Osservare la direzione della lancia della stampante e controllare la presenza di errori che potrebbero causare una stampa di sicuro.
      NOTA: Gli errori che possono causare la stampa a fallire includono l'assenza di supporti sotto sporgenze, cavità indesiderate, strati mancanti o zone che sono troppo sottili per la stampa.
    9. Salvare il file G-code per il desktop o direttamente su una scheda SD.
  3. Utilizzare la stampante
    NOTA: Ogni stampante marca o modello è unico, e la sua preparazione e la calibrazione per la stampa varierà di conseguenza. Fare riferimento al manuale della stampante.
    1. Assicurarsi che la stazione di lavoro è collegato alla stampante o che la scheda SD con gcode è nella stampante.
    2. Preparare la stampante caricando il filamento e garantire che il letto è di livello;per le istruzioni su queste procedure, consultare il manuale della stampante.
    3. Avviare la stampa dal computer o localmente da una scheda SD tramite il menu della stampante.
    4. Vedere la stampa fino a quando un primo strato è stato completato con successo. Se ci sono errori nel primo strato, interrompere e riavviare la stampa.

4. Post-Produzione Trasformazione

NOTA: Cura ovviamente dovrebbe essere presa in questa, fase conclusiva. strutture di sostegno sul modello devono essere rimossi. Questo è generalmente fatto manualmente, anche se approcci alternativi, come l'uso di un supporto solubile, può essere utilizzato; vedi supplemento 4.

  1. Staccare la stampa dalla piastra di build tirando delicatamente lateralmente. Se la zattera aderisce fortemente alla piastra costruire, separarlo inserendo un bordo tagliente tra loro.
  2. Rimuovere le strutture di sostegno dal modello. Molti supporti possono essere rimossi a mano, da loro rottura del pezzo e la raft. Modelli flessibili può essere staccata tirando via dalla parte. Per supporti che sono difficili da raggiungere o collegati a strutture delicate, utilizzano taglienti per agganciare il punto in cui il supporto si collega alla parte.

Risultati

Modelli stampabili 3D stabili e informativi di biomolecole possono essere preparati da: (i) obbligazioni addensanti per fornire stabilità, (ii) selezionando con attenzione il tipo di rappresentazione struttura secondaria o di stile che avrebbe fornito la più grande intuizione e la stabilità, (iii) la stampa del biomolecole in più di una rappresentazione molecolare, (iv) utilizzando un filamento che renderà tutta o parte di una biomolecola flessibili, o (v) generare un insieme complesso che è modulare (cioè, in pezzi collegabili).

Per illustrare come stampare tali modelli informativi e stabili, ci siamo concentrati sui componenti della cromatina e sulla produzione di un modello ipotetico di cromatina. Cromatina è un complesso proteina-DNA altamente complessa. La subunità proteina fondamentale della cromatina è la proteina istone. Ci sono quattro proteine ​​istoni, ciascuno costituito da un'elica-loop elica (a "istone piega") seguito da una alfa elica estesa e una seconda "istone piega". Struttura delle proteine istone può essere facilmente ottenuto utilizzando una rappresentazione "ribbon" (Figura 3A). In alternativa, la struttura della proteina istone può essere visualizzato utilizzando solo la sua superficie (Figura 3B). Ci sono due copie di ciascuno dei quattro proteine ​​istoni, che assemblano per formare un ottamero istoni globulari. Il ottamero istoni è troppo grande per la stampa del tutto come una rappresentazione nastro o bastone, a causa della scala più ampia in cui devono essere stampati queste caratteristiche. Così, un tale complesso di proteine, è visualizzata migliore usando rappresentazione superficie (Figura 3C). DNA sarà tracciare un percorso intorno alla ottamero istoni a formare un 10 nm di diametro nucleo nucleosoma delle particelle. Il percorso di DNA può meglio essere visualizzate stampando due modelli separati e usando un filamento flessibile per il DNA (Figura 3D). particelle fondamentali nucleosomi impilanol'una all'altra a formare un assieme di ordine superiore, una "fibra" 30 nm di diametro una struttura suprahelical mancino. Per illustrare meglio come le particelle fondamentali nucleosoma 10-nm possono raggrupparsi per formare un 30-nm di assemblaggio della cromatina, stampa singole particelle "di-nucleosoma" (Figura 3E) e poi impilarli dopo la stampa (Figura 3F).

Una volta masterizzato il singolo flusso superficiale estrusione e nastro sopra descritto, esplorare facendo una gamma di modelli atomici, molecolari, e compositi, come illustrato nella figura 4. Ad esempio, combinano superficie e nastro rappresentazioni di distinguono diverse parti di un complesso (vedi polimerasi DNA, Figura 4B). Rendere modelli più istruttivo e attraenti utilizzando una stampante a doppia estrusione che può fondere due filamenti contemporaneamente in un singolo oggetto 3D (vedi Figura 4C). In alternativa, le parti di vernice dei modelli (vedi guanine e l'elica alfa, Figura 4A). Stampa e assemblare le subunità di un complesso proteico, come il canale del sodio, o togliere l'ancora di più stampando parti distinte di un complesso e riunendole poi in una più grande, modello multi-colore (vedi i complessi di HIV-anticorpo e ribosomiale, Figura 4C). Tali modelli compositi sono meglio in grado di mostrare le caratteristiche funzionali rispetto alle stampe a singolo filamento. I colori differenti possono evidenziare, ad esempio, glicosilazione contro proteine (modello HIV) o RNA contro proteine (vedi modello ribosoma, Figura 4C). Essi consentono inoltre la creazione di puzzle 3D educativi, come il legame dell'anticorpo alla superficie HIV (vedi gp120 vincolata da anticorpi, Figura 4C), in cui solo una configurazione 3D produce un aderente di entrambe le parti. Istruzioni su stampa di questi modelli possono essere trovati in supplemento 5. Inoltre, abbiamo fornito un video supplementare che illustra la costruzione di un modello 3D di the Fo / F1 protonica ATP sintasi stampato a pezzi e assemblati in modo in modo da poter ricapitolare il meccanismo rotante che si verifica durante questo enzimi meccanismo catalitico.

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Figura 1. Flusso di lavoro per preparare e stampare un modello 3D. Illustrati sono le tappe di produzione di una stampa fisico 3D biomolecolare: (i) la preparazione del modello, compresa la selezione della rappresentazione; (Ii) l'apertura di un file STL salvato del modello e l'elaborazione del file utilizzando il software di taglio; (Iii) la stampa del modello e la scelta del materiale o filo; e, infine, (iv) di eseguire la procedura di post-produzione.Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 2. Visuals di diverse rappresentazioni di modelli in varie fasi della preparazione. Riga superiore: rappresentazioni comune di due modelli (ubiquitina (PPB 1UBQ) e arginina) visualizzati utilizzando il programma Chimera. Fila centrale: Il percorso utensile stampa generati dai modelli STL Chimera, colorata in base al tipo di funzione ubiquitina e arginina (arancione: modello di riempimento; blu scuro: guscio esterno; azzurro: interno shell). In basso consecutive: stampe finali di ubiquitina e arginina. Di superficie e due nastro modelli di ubiquitina stampate al 300% della Chimera uscita STL predefinito (di default è Chimera 1 nm nel modello e 1 cm di stampa), mentre il modello arginina wcome stampato a 1.000%. I modelli di nastro o bastone di default Chimera sono troppo sottili per stampare correttamente, ma le versioni ispessite stamperanno in modo affidabile. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 3. caso di studio Nucleosoma. (A) di proteine Single-istone H3 reso da addensanti "nastri", stampato in 300%. (B) istone H3 proteina rappresentazione "di superficie", stampata al 200%. (C) della proteina istone ottamero stampato al 100%. Ottamero (D) proteina istone (arancione) in complesso con DNA flessibile (bianco) stampato a 100%. Modello di superficie (E) Dinucleosome stampato con un raggio di default della sonda e stampato in scala 100%. (F) A model della cromatina "fibra 30 nm" creato da impilare manualmente modelli stampati singolarmente della dinucleosome "10-nm", in cui la superficie è stata resa con un raggio sonda 3 Å, stampato a 50% e 25% dimensioni, e tenuto insieme con Play-Doh. stampe 3D sono stati generati da un modello del dinucleosome (PPB 1ZBB). Tutti i modelli sono liberamente disponibili per il download presso il NIH 3D di Exchange 11. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 4. Esempi di modelli 3D-stampati realizzati con stampanti a filamento. (A) a sinistra, un modello di palla-e-bastone di molecole d'acqua in cristalli di ghiaccio esagonali (stampa dual-filamento). Medio, modello di un nucleotide (guanina). A destra, una proteina alfa h Elix dorsale-unico modello che mostra legami idrogeno (nero). Guanina e l'alfa elica erano colorate a mano con sharpies. (B) a sinistra, canale del sodio, composto da 4 subunità che possono essere uniti insieme (PPB 3E89). Medio, Plasmodium falciparum L-lattato deidrogenasi (PPB 1T2D) stampato come nastri. A destra, il modello del sito attivo DNA polimerasi (PPB 1KLN), che mostra come il DNA e proteine ​​di superficie come nastri. (C) a sinistra, l'HIV busta lipidica con glicoproteina (PPB 5FUU) vincolato da anticorpi (PPB 1IGT), stampati al 15%. Medio, particolare della antigene di superficie glicoproteina al 150%, con la regione variabile di anticorpi indicato come nastri (PPB 5FYJ). Destra, modelli della batterica 70S ribosoma (PDB 4V5D) a 40% e il 20%. Le percentuali si riferiscono alla produzione Chimera standard, dove il 100% significa 1 nm nelle stampe molecola come 1 mm. Tutti i modelli sono liberamente disponibili per il download presso il NIH 3D di Exchange 11.OAD / 55427 / 55427fig4large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Discussione

modelli 3D fisici di biomolecole forniscono un potente complemento ai metodi basati su computer più comuni di visualizzazione. Le proprietà aggiuntive di una rappresentazione 3D fisica contribuiscono alla comprensione intuitiva della struttura biomolecolare. La costruzione di modelli fisici 3D di biomolecole può facilitare il loro studio attraverso l'uso di un mezzo che sfrutta modalità ben sviluppati della sensazione umana. Modelli 3D servono non solo come un aiuto per il ricercatore, ma possono essere utilizzati per facilitare le attività pedagogiche e può aumentare il raggiungimento di risultati dell'apprendimento 13, 14, 15. I magneti possono essere aggiunti ai modelli di plastica per consentire il montaggio e lo smontaggio, come illustrato con un modello di polipeptidi 16. Inoltre, oggetti 3D-stampata possono essere utilizzati nella ricerca, sia nella produzione di attrezzature di laboratorio 17, così da rendere microfldispositivi uidic per celle 18 e modelli di cristalli di 19 o neuroni 20. La manipolazione di modelli fisici può servire a promuovere le discussioni di collaborazione che possono ispirare nuove intuizioni.

I recenti sviluppi nelle tecnologie di stampa 3D e riduzioni del costo delle stampanti consente la creazione di modelli complessi, fisici 3D di biomolecole da parte di un singolo utente. Sebbene tecnologia di stampa FFF è più comune e meno costoso rispetto ad altri metodi, pone una serie di limitazioni. Il processo di stampa 3D è in termini di tempo, e non si verificano guasti meccanici. stampanti FFF solito può stampare un solo materiale per parte, limitando la visualizzazione delle informazioni sul colore. La risoluzione di modelli realizzati su stampanti FFF è bassa, circa 100 micron per strato. Si consiglia al lettore di lavorare con questi limiti e di sviluppare un approccio per la loro stampante e biomolecole (s) di interesse. Abbiamo presentato il proceSSES necessarie per un utente di sviluppare una rappresentazione 3D personalizzato del loro biomolecole di interesse che è accurata, informativo, e stampabile. Come per ogni nuova tecnologia, ci sono spesso "dolori della crescita" che devono essere superate durante il suo utilizzo. Forniamo diversi esempi in cui possono incontrare problemi nel processo di biomolecole di stampa 3D (vedi allegato 6).

Infine, attraverso questo articolo, è il nostro obiettivo di contribuire alla crescita di una comunità di utenti impegnati nella stampa 3D di biomolecole. È importante sottolineare che il NIH ha stabilito una base di dati per il pubblico per condividere modelli 3D ei metodi utilizzati per stamparli 10. Incoraggiamo fortemente la partecipazione a questa risorsa unica (vedi allegato 7 per le istruzioni su come caricare un modello 3D di stampa e informazioni di base per la stampa scambio NIH 3D).

Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Gli autori sono grati per il supporto di Deis3D, del Brandeis 3D Printing Club e dei membri di Brandeis Library/LTS/Makerlab. Questo lavoro è stato finanziato in parte da una sovvenzione assegnata a Pomeranz Krummel dalla NSF, premio n. 1157892; una sovvenzione ESIT del BMBF, assegnata all'Università di Tubinga; e fondi federali statunitensi dal National Institutes of Health, Dipartimento della salute e dei servizi umani, ai sensi del contratto n. GS35F0373X. I grafici molecolari e le analisi sono stati eseguiti con il pacchetto UCSF Chimera. Chimera è stato sviluppato dal Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics dell'Università della California, San Francisco (supportato da NIGMS P41-GM103311).

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
forte
Filamento per stampa 3D PLA (rotolo da 1,0 kg)QuantumStampa 3Dhttp://quantum3dprinting.com/Filamento PLA di ottima qualità, fortemente consigliato
Filamento flessibile per stampa 3D NinjaFlexNinjatekhttps://ninjatek.com/Filamento flessibile di alta qualità
Filamenti PLA PrimaValue & PrimaSelect3DPrimahttp://3dprima.com/Fornitore europeo di alta qualità di stampanti > filamento
Prusa I3 MK2 Stampante 3DPrusa Researchhttp://www.prusa3d.com/Una popolare stampante 3D
MakerGear M2 Revision E (M2e)MakerGearhttp://www.makergear.com/Stampante di altissima qualità
Ultimaker 2Ultimakerhttps://ultimaker.com/Stampante molto affidabile, facile da usare, punteggio più alto su 3Dhubs.com
Flashforge Creator ProFlashforgehttp://www.flashforge-usa.comStampante affidabile a doppia estrusione, punteggio più alto su 3Dhubs.com
Software
Simplify3D SlicerSimplify3Dhttps://www.simplify3d.com/Eccellente software di slicing
NetfabbAutodeskhttp://www.autodesk.com/education/free-software/netfabbSoftware di riparazione Mesh, disponibile gratuitamente per scopi didattici
ChimeraUniversity of California, San Franciscohttps://www.cgl.ucsf.edu/chimera/Chimera vizualizer molecolare
MeshmixerAutodeskhttp://www.meshmixer.com/Utilizzato per l'orientamento dei modelli, ma ha altre caratteristiche

Riferimenti

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  20. McDougal, R. A., Shepherd, G. M. 3D-printer visualization of neuron models. Frontiers in Neuroinformatics. 9, 1-9 (2015).

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