Name: 研究と教育学のための生体分子モデルの3Dプリント (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 17 s
Description: 学ぼう、PDB構造データから生体分子モデルを3Dプリントする手法。UCSF ChimeraとAutodesk NetFabbを用いて、構造生物学の教育と研究のための正確な物理モデルを作成する方法です。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

著者は、Deis3D、Brandeis 3D Printing Club、およびBrandeis Library/LTS/Makerlabのメンバーの支援に感謝しています。この作業は、NSFからポメランツ・クルメルに授与された助成金、賞第1157892号によって部分的に資金提供されました。テュービンゲン大学に授与されたBMBFのESIT助成金。米国国立衛生研究所、保健社会福祉省からの米国連邦資金、契約番号に基づく。GS35F0373X。分子グラフィックスと解析は、UCSF Chimera パッケージを使用して実行しました。Chimeraは、カリフォルニア大学サンフランシスコ校のResource for Biocomputing, Visualization, and Informaticsによって開発されました(NIGMS P41-GM103311の支援を受けています)。

<ol><li>Del Re, G. <a target="_blank" href="http://www.hyle.org/journal/issues/6/delre.htm">Models and analogies in science.</a> HYLE - International Journal for Philosophy of Chemistry. 6 (1), 5-15 (2000).</li>
<li>Pauling, L., Corey, R. B., Branson, H. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+structure+of+proteins%3A+two+hydrogen-bonded+helical+configurations+of+the+polypeptide+chain%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Science+U.S.A%22%5BJournal%5D)">The structure of proteins: two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain.</a> Proceedings of the National Academy of Science U.S.A. 37 (4), 205-211 (1951).</li>
<li>Corey, R. B., Pauling, L. <a target="_blank" href="https://profiles.nlm.nih.gov/ps/retrieve/ResourceMetadata/MMBBHN">Molecular models of amino acids, peptides, and proteins.</a> The Review of Scientific Instruments. 24 (8), 621-627 (1953).</li>
<li>Watson, J. D., Crick, F. H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+structure+for+deoxyribose+nucleic+acid%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">A structure for deoxyribose nucleic acid.</a> Nature. 171, 737-738 (1953).</li>
<li>Stone-Sundberg, J., Kaminsky, W., Snyder, T., Moeck, P. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/crat.201400469/abstract">3D printed models of small and large molecules, structures and morphologies of crystals, as well as their anisotropic physical properties.</a> Crystal Research and Technology. 50 (6), 432-441 (2015).</li>
<li>Berman, B. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0007681311001790">3-D printing: The new industrial revolution.</a> Business Horizons. 55 (2), 155-162 (2011).</li>
<li>Meyer, S. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jchemed.5b00207">3D printing of protein models in an undergraduate laboratory: leucine zippers.</a> Journal of Chemical Education. 92 (12), 2120-2125 (2015).</li>
<li>Gillet, A., Sanner, M., Stoffler, D., Olson, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tangible+Interfaces+for+Structural+Molecular+Biology%5BTitle%5D)+AND+%22Structure%22%5BJournal%5D)">Tangible Interfaces for Structural Molecular Biology.</a> Structure. 13 (3), 483-491 (2005).</li>
<li>Rossi, S., Benaglia, M., Brenna, D., Porta, R., Orlandi, M. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jchemed.5b00168">Three dimensional (3D) printing: a straightforward, user-friendly protocol to convert virtual chemical models to real-life objects.</a> Journal of Chemical Education. 92 (8), 1398-1401 (2015).</li>
<li>Coakley, M., Hurt, D., Weber, N., et al. <a target="_blank" href="http://online.liebertpub.com/doi/abs/10.1089/3dp.2014.1503">The NIH 3D print exchange: a public resource for bioscientific and biomedical 3D prints.</a> 3D Printing and Additive Manufacturing. 1 (3), 137-140 (2014).</li>
<li>Pettersen, E. F., Goddard, T. D., Huang, C. C., Couch, G. S., Greenblatt, D. M., Meng, E. C., Ferrin, T. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((UCSF+Chimera--a+visualization+system+for+exploratory+research+and+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Computational+Chemistry%22%5BJournal%5D)">UCSF Chimera--a visualization system for exploratory research and analysis.</a> Journal of Computational Chemistry. 25 (13), 1605-1612 (2004).</li>
<li>Azimi, P., Zhao, D., Pouzet, C., Crain, N. E., Stephens, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Emissions+of+ultrafine+particles+and+volatile+organic+compounds+from+commercially+available+desktop+three-dimensional+printers+with+multiple+filaments%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">Emissions of ultrafine particles and volatile organic compounds from commercially available desktop three-dimensional printers with multiple filaments.</a> Environmental Science & Technology. 50 (3), 1260-1268 (2016).</li>
<li>Roberts, J., Hagedorn, E., Dillenburg, P., Patrick, M., Herman, T. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bmb.2005.494033022426/full">Physical models enhance molecular 3D literacy in an introductory biochemistry course, Biochem.</a> Biochemistry and Molecular Biology Education. 33 (2), 105-110 (2005).</li>
<li>Jittivadhna, K., Ruenwongsa, P., Panijpan, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Beyond+textbook+illustrations%3A+Hand-held+models+of+ordered+DNA+and+protein+structures+as+3D+supplements+to+enhance+student+learning+of+helical+biopolymers%5BTitle%5D)+AND+%22Biochemistry+and+Molecular+Biology+Education%22%5BJournal%5D)">Beyond textbook illustrations: Hand-held models of ordered DNA and protein structures as 3D supplements to enhance student learning of helical biopolymers.</a> Biochemistry and Molecular Biology Education. 38 (6), 359-364 (2010).</li>
<li>Herman, T., Morris, J., Colton, S., Batiza, A., Patrick, M., Franzen, M., Goodsell, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tactile+teaching+-+Exploring+protein+structure%2Ffunction+using+physical+models%5BTitle%5D)+AND+%22Biochem.+Biochemistry+and+Molecular+Biology+Education%22%5BJournal%5D)">Tactile teaching - Exploring protein structure/function using physical models.</a> Biochem. Biochemistry and Molecular Biology Education. 34 (4), 247-254 (2006).</li>
<li>Chakraborty, P., Zuckermann, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coarse-grained%2C+foldable%2C+physical+model+of+the+polypeptide+chain%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Science+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Coarse-grained, foldable, physical model of the polypeptide chain.</a> Proceedings of the National Academy of Science U.S.A. 110 (33), 13368-13373 (2013).</li>
<li>Baden, T., Chagas, A. M., Gage, G. J., Marzullo, T. C., Prieto-Godino, L. L., Euler, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Open+Labware%3A+3-D+printing+your+own+lab+equipment%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+Biology%22%5BJournal%5D)">Open Labware: 3-D printing your own lab equipment.</a> PLoS Biology. 13 (3), e1002086(2015).</li>
<li>Morgan, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simple+and+versatile+3D+printed+microfluidics+using+fused+filament+fabrication%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+ONE%22%5BJournal%5D)">Simple and versatile 3D printed microfluidics using fused filament fabrication.</a> PLoS ONE. 11 (4), e0152023(2016).</li>
<li>Chen, T., Lee, S., Flood, A., Miljanić, O. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2014/CE/c4ce00371c#!divAbstract">How to print a crystal structure model in 3D.</a> Cryst. Eng. Comm. 16 (25), 5488-5493 (2014).</li>
<li>McDougal, R. A., Shepherd, G. M. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4485057/">3D-printer visualization of neuron models.</a> Frontiers in Neuroinformatics. 9, 1-9 (2015).</li>
</ol>

著者らは開示するものは何もない。

生体分子の物理的な3Dモデルは、視覚化のより一般的なコンピュータベースの方法を強力に補完します。物理的な3D表現の追加プロパティは、生体分子の構造の直感的な理解に貢献しています。生体分子の物理的な3Dモデルの構築は、人間の感覚のよく発達したモードを利用する媒体の使用を介して彼らの研究を容易にすることができます。 3Dモデルは、研究者の助けとしてだけではなく働くが、教育活動を促進するために使用することができ、学習が13、14、15の結果の成果を高めることができます。磁石は、ポリペプチド16のモデルで示すように、組み立ておよび分解を可能にするために、プラスチック製のモデルに追加することができます。また、3次元印刷オブジェクトがmicroflを作るために、ならびに研究室機器17の製造においても、研究に使用することができますセル18および結晶19またはニューロン20のモデルのためuidicデバイス。物理モデルの操作は、新たな洞察を鼓舞することができ共同の議論を促進する働きをすることができます。 プリンタのコストで3Dプリント技術と削減における最近の開発は、個々のユーザによって生体分子の複雑な、物理的な3Dモデルの作成が可能になります。 FFFの印刷技術は、より一般的な他の方法よりも安価であるが、多くの制限をもたらします。 3D印刷プロセスは時間がかかり、かつ機械的な障害が発生しました。 FFFのプリンタは、通常、色情報のみの表示を制限し、一部ごとに1つの材料を印刷することができます。 FFFプリンタで作られたモデルの分解能は、層ごとに100μmの周りに低いです。我々は、これらの制限で動作するようにし、興味のあるプリンタおよび生体分子（複数可）のためのアプローチを開発するリーダーをお勧めします。私たちは、proceを提示しています、正確な情報を提供する、および印刷可能です興味のある生体分子のカスタム3D表現を開発するユーザーのために必要SSES。すべての新しい技術と同様に、その使用中に克服しなければならない &quot;成長の痛み」は、しばしばあります。私たちは、問題が3Dプリントの生体分子（サプリメント6を参照）の過程で発生する可能性のあるいくつかの例を提供します。 最後に、この記事を通じて、生体分子の3Dプリントに従事するユーザのコミュニティの発展に貢献するために私たちの目標です。重要なのは、NIHは、3Dモデル、それらに10を印刷するために使用される方法を共有するために公共のデータベースを確立しています。私たちは強く、このユニークなリソース（NIH 3DプリントExchangeに3Dモデルの印刷と背景情報をアップロードする方法については補足7を参照）への参加を奨励しています。

生体分子の機能および活性の完全な理解は、3次元（3D）構造の決意を必要とします。これは、日常的に、X線結晶学、NMR、または電子顕微鏡を用いて達成されます。 3D構造は、それらが1を表す構造に似ているモデル、または正確な物体の認識を介して理解することができます。研究者は、検証探索、および生体分子の機能に関する結果の仮説を通信するための歴史的、物理的な3Dモデルの構築が必要でした。このようなワトソン・クリックのDNAの二重らせんとポーリングのαヘリックス、などこれらのモデルは、構造と機能の関係にユニークな洞察を提供し、核酸とタンパク質の構造機能2、3、4の私たちの初期の理解に極めて重要でした。複雑なタンパク質や核酸のモデルを作成することができますが、物理モデルを構築する時間とコストは、最終的には、コンピュータ支援分子可視化の相対的な容易さを上回るました。 また、添加剤の製造として知られる3Dプリントの開発は、再び生体分子5の物理モデルの構築を可能にしました。 3Dプリントは、材料（単数または複数）の層の逐次付加を介してデジタルファイルの物理的な、三次元物体を製造する方法です。種々の機構がこのプロセスで使用されています。最近まで、生体分子の物理的モデルを生成するために使用される機械は、広く使用されるにはあまりにも高価でした。しかし、10年で、3Dプリント技術は、溶融フィラメント製造（FFF）は、特に、民生6のため、それがアクセスできるよう、大幅に進歩してきました。 FFFプリンタは今高校、図書館、大学、研究室で一般に入手可能です。大きい手頃な価格と3D印刷技術のアクセシビリティ正確な、物理的な三次元生体分子モデル7、 図8、 図9にデジタル3Dの生体分子モデルを変換することが可能となりました。このようなモデルは、単一の生体分子の簡単な表現だけでなく、例えばリボソームやウイルスキャプシド構造のような複雑な高分子集合体だけでなく、を含みます。熱可塑性押出法を用いて、特に、しかし、個々の生体分子及び高分子集合体を印刷する工程は、いくつかの課題を提起します。具体的には、生体分子の表現は、多くの場合、プリンタが生成するために困難であり、複雑な形状を持っており、正常に印刷されますデジタルモデルを作成し、処理することは、分子モデリング、3Dモデリング、および3Dプリンタソフトウェアとスキルが必要です。 生体分子を印刷するための3Dワークフローは、大きく4つのステップで行われます。（1）3Dプリントのためにその座標ファイルから生体分子モデルを用意します。（2）セグメントに「スライス」ソフトウェアにプリンタのモデルを生体分子のモデルをインポートし、物理的に生体分子モデルを下支えします支持構造を生成します。 （3）適切なフィラメントを選択し、3Dモデルを印刷します。 （4）モデルから支持体を除去するなどのポストプロダクション処理工程（ 図1及び2）。計算上、生体分子の座標ファイルを操作し、このプロセスの最初のステップは、非常に重要です。この段階で、ユーザは支柱の形でモデルの援軍を構築するだけでなく、ユーザーが表示することを選択したものに無関係なされている構造体を除去することができます。また、表現の選択は、この段階で行われる：表面表現、リボン、および/または個々の原子として生体分子の全部または一部を表示するかどうか。必要な付加および/またはコンテンツの減算が行われ、表示が選択されると、構造は、3Dカとして保存されデルファイル。次に、ファイルは、生体分子のプラスチックレプリカに、層によって、印刷することができる3Dプリント・ファイルに層をモデルに変換する第2のソフトウェアプログラムで開かれます。 私たちのプロトコルの目標は、FFFのプリンタへのアクセスが、に、より高価ではない3D印刷技術を持つ多数のユーザーへの分子モデルの製造がアクセスできるようにすることです。ここでは、FFFの印刷用に最適化されている方法で、3D分子データから生体分子の3Dプリントのためのガイドを提供します。複雑な生体分子構造の印刷性を最大化し、物理モデルの単純な後処理を確実にするためにどのように我々は、詳細。いくつかの一般的な印刷材料またはフィラメントの特性が比較され、柔軟なプリントを作成するためのそれらの使用に関する推奨事項が提供されます。最後に、我々は、異なる分子表現の使用を示す3Dプリント生体分子モデルの一連の例を紹介しました。

<table><tbody><tr><td>Filament</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>PLA 3Dプリンティングフィラメント(1.0 kgロール)</td><td>Quantum3Dプリンティング</td><td></td> <td>http://quantum3dprinting.com/ 非常に高品質のPLAフィラメント、強くお勧めします</td></tr><tr><td>NinjaFlexフレキシブル3Dプリンティングフィラメント</td><td>Ninjatek</td><td>https://ninjatek.com/</td> <td>高品質のフレキシブルフィラメント</td></tr><tr><td>PLAフィラメントPrimaValue&PrimaSelect</td><td>3DPrima</td><td>http://3dprima.com/</td> <td>フィラメントの高品質ヨーロッパのサプライヤー</td></tr><tr><td><ストロング>プリンター</ストロング></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Prusa I3 MK2 3Dプリンター</td><td>Prusa Research</td><td>http://www.prusa3d.com/</td> <td>人気の3Dプリンター</td></tr><tr><td>MakerGear M2 Revision E (M2e)</td><td>MakerGear</td><td>http://www.makergear.com/</td> <td>クローズドソース、非常に高品質のプリンター</td></tr><tr><td>Ultimaker 2</td><td>Ultimaker</td><td>https://ultimaker.com/</td> <td>非常に信頼性が高く、使いやすいプリンター、3Dhubs.com</td></tr><tr><td>Flashforge Creator Pro</td><td>Flashforge</td><td>http://www.flashforge-usa.com</td><td>信頼性の高いデュアル押出プリンター、3Dhubs.com</td></tr><tr><td>ソフトウェア</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Simplify3Dスライサー</td>で最高評価 <td>Simplify3D</td><td>https://www.simplify3d.com/</td> <td>優れたスライスソフトウェア</td></tr><tr><td>Netfabb</td><td>オートデスク</td><td>http://www.autodesk.com/education/free-software/netfabb</td><td>メッシュ修復ソフトウェア、教育目的で無料で利用可能</td></tr>、<tr><td>キメラ</td><td>カリフォルニア大学サンフランシスコ</td><td>校 https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/</td> <td>キメラ分子vizualizer</td></tr><tr><td>メッシュミキサー</td><td>オートデスク</td><td>http://www.meshmixer.com/</td> <td>モデルの向き付けに使用されますが、他の機能もあります</td></tr></tbody></table>

研究と教育学のための生体分子モデルの3dプリント

3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy

生体分子の物理的な3次元(3D)モデルの構築は、構造relationship. 3D機能の研究に独自に貢献することができます。構造は、コンピュータ画面の二次元かつ排他的な視覚媒体を使用して最も頻繁に知覚されます。デジタル3D分子データを実際のオブジェクトに変換することで、直接立体視、触覚、インタラクションなど、人間の感覚の範囲を拡大して情報を知覚できるようになります。このような具体的なモデルは、新たな洞察を促進し、仮説の検証を可能にし、生体分子の機能に関する概念的な情報の心理的または感覚的なアンカーとして機能します。近年の消費者向け3Dプリンティング技術の進歩により、さまざまな分子表現の生体分子の高品質で科学的に正確なモデルをコスト効率よく作製することが可能になりました。しかし、仮想モデルとその印刷パラメータの最適化は、詳細なガイダンスがなければ困難で時間がかかります。ここでは、オープンソースまたは低コストのソフトウェアと、溶融フィラメント製造技術を使用する低コストの3Dプリンターを使用した、研究および教育学用の生体分子モデルのデジタル設計と物理的製造に関するガイドを提供します。

安定かつ有益な生体分子の3D印刷可能なモデルをすることによって調製することができる。安定性を提供するために、（ⅰ）肥厚債、（ii）は慎重に最大の洞察力と安定性を提供する二次構造表現のタイプやスタイルを選択する、（iii）の中の生体分子を印刷、1分子の表現よりも（iv）の柔軟な生体分子の全部または一部をレンダリングするフィラメントを使用して、または（v）は （接続枚で、すなわち ）モジュール化されて複雑なアセンブリを生成します。 このような有益かつ安定したモデルを印刷する方法を説明するために、我々はクロマチンのコンポーネントにクロマチンの仮説モデルを生産に焦点を当てました。クロマチンは非常に複雑なタンパク質-DNAアセンブリです。クロマチンの基本的なタンパク質サブユニットは、ヒストンタンパク質です。 4ヒストンタンパク質は、それぞれヘリックスからなる、あります拡張されたαヘリックスと第二に続く - ループ - ヘリックス（「ヒストン倍」）「ヒストン倍。」ヒストンタンパク質の構造が簡単に「リボン」の表現（ 図3A）を用いて製造することができます。代替的に、ヒストンタンパク質の構造は、その表面（ 図3B）を使用して表示することができます。球状ヒストン八量体を形成するために組み立て4ヒストンタンパク質の各々の2つのコピーが存在します。ヒストン八量体は、これらの機能は印刷する必要があるで大規模に、リボンまたはスティック表現として完全に印刷するには大きすぎます。したがって、このような大きなタンパク質アセンブリは、最高の表面表現（ 図3C）を使用して表示されます。 DNAは、10nmの直径ヌクレオソームコア粒子を形成するために、ヒストン八量体の周りに経路をグラフ化します。 DNAの経路が最良二つの別々のモデルを印刷し、DNA（ 図3D）のための柔軟な繊維を使用して表示することができます。ヌクレオソームコア粒子は、スタック互いの上に、30nmの直径「繊維」左手suprahelical構造の高次アセンブリを形成します。最高の10-nmのヌクレオソームコア粒子が30nmのクロマチンアセンブリ、印刷個々の「ジ-ヌクレオソーム」粒子（ 図3E）を形成した後（ 図3F）を印刷した後、それらをスタックするスタックかもしれ方法を説明します。 一度前述の単一の押出面とリボンワークフローを習得し、 図4に示すように、原子、分子、複合モデルの範囲を作る探ります。例えば、（DNAポリメラーゼ、 図4Bを参照）複合体の離れた異なる部分を設定する表面とリボン表現を組み合わせます。単一の3Dオブジェクトに同時に2本のフィラメントを溶かすことができ、二重押出プリンタを使用することによって、より有益かつ魅力的なモデルを作成します（ 図4Cを参照）。また、モデルのペイント部分が（参照関INEとαヘリックス、 図4A）。印刷およびナトリウムチャネルのように、タンパク質複合体のサブユニットを組み立てる、または複合体の異なる部分を印刷し、より大きな、マルチカラーのモデルに後でそれらを組み立てることによって、さらにそれを取る（HIV抗体およびリボソーム複合体を参照してください、 図4C）。このような複合モデルは単芯のプリントに比べて機能的な特徴を示すために、より良いことができます。異なる色は、例えば、タンパク質対タンパク質に対するグリコシル化（HIVモデル）またはRNA（リボソームモデル、 図4Cを参照してください）、強調表示することができます。彼らはまた、ただ一つの3D設定は、両方の部品の密着を与えるHIV表面に結合する抗体（抗体によって結合するgp120、 図4Cを参照）、同様に、教育3Dパズルの作成を可能にします。これらのモデルを印刷の手順加えてサプリメント5で見つけることができ、我々は番目の3Dモデルの構成を示す補足ビデオを提供してきましたそれは、これが触媒機構を酵素中に発生する回転機構を再現することができるようにバラバラに印刷され、このように組み立てた電子Foを/ F1プロトンATP合成酵素。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig1.jpg" /> 3Dモデルを作成し、印刷するために 、図1 のワークフロー。イラストは、物理的な3D生体分子印刷生産に段階ある：表現を選択するなどのモデルを用意（i）を 、 （ⅱ）モデルの保存.STLファイルを開き、スライスソフトウェアを使用してファイルを処理します。 （iii）のモデルを印刷し、材料やフィラメントを選択します。そして最後に、（iv）のポストプロダクションのステップを実行します。<a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig2.jpg" /> 準備の様々な段階でのモデルの異なる表現の 2 ビジュアル図 。一番上の行：2のモデル（ユビキチン（PDB 1UBQ）およびアルギニン）の一般的な表現は、プログラムキメラを用いて可視化。 中段 ：ユビキチンとアルギニンの機能タイプ（：インフィルパターンと、ダークブルー：オレンジ色のアウターシェル、ライトブルー：インナーシェル）によって着色キメラSTLモデルから生成された印刷ツールパス、。 一番下の行：ユビキチンとアルギニンの最終的な印刷されます。表面とデフォルトキメラのSTL出力の300％で印刷ユビキチンの2リボンモデル（キメラのデフォルトは、印刷中のモデルと1 cm単位で1 nmである）、アルギニンモデルワットながら、1000パーセントで印刷しました。キメラデフォルトのリボンやスティックモデルが正しく印刷するにはあまりにも薄いですが、肥厚したバージョンが確実に印刷されます。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig3.jpg" /> 図3. ヌクレオソームのケーススタディ 。 （A）300％で印刷肥厚によってレンダリングシングルヒストンH3タンパク質「リボン」。 （B）200％で印刷ヒストンH3タンパク質「表面」表現。 100％で印刷八量体（C）ヒストンタンパク質。 100％で印刷柔軟なDNA（白）との複合体中の（D）ヒストンタンパク質の八量体（オレンジ）。 （E）Dinucleosome表面モデルは、デフォルトのプローブ半径を用いて印刷し、100％スケールで印刷されます。 （F）は、m手動で個別表面は、3オングストロームのプローブ半径を使用してレンダリング50％と25％のサイズで印刷し、開催された「10-nm」でdinucleosome、の印刷されたモデルを積み重ねることによって作成されたクロマチン「30-nmの繊維」のodel一緒にプレイ・ドーと。 3Dプリントはdinucleosome（PDB 1ZBB）のモデルから生成しました。すべてのモデルはNIH 3Dプリント取引所11からダウンロードして自由に利用できます。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig4.jpg" /> 図 3Dプリントモデルの 4 例は、フィラメントのプリンタを使用して製造しました。 （A）左、六方氷晶（デュアルフィラメントプリント）中の水分子の球棒モデル。ミドル、ヌクレオチド（グアニン）のモデル。右、タンパク質アルファH<html>水素結合を示すELIXバックボーン専用モデル（黒）。グアニンおよびαヘリックスはsharpiesを使用して手動で着色しました。 （B）左、一緒に連結することができ、4サブユニットからなるナトリウムチャネル、（PDB 3E89）。リボンのように印刷された中東、 熱帯熱マラリア原虫 L-乳酸脱水素酵素（PDB 1T2D）。 DNAポリメラーゼ活性部位（PDB 1KLN）の右、モデル、リボンなどの表面やタンパク質として示すDNA。 15％で印刷抗体（PDB 1IGT）、によって結合された（C）糖タンパク質と左、HIV脂質エンベロープ（PDB 5FUU）。リボン（PDB 5FYJ）として示した抗体の可変領域とミドル、150％での糖タンパク質抗原の表面の詳細、。 40％と20％で、細菌の70Sリボソーム（PDB 4V5D）の右側、モデル。パーセンテージは100％が1ミリメートルのような分子のプリントで1ナノメートルを意味し、標準キメラ出力、を参照してください。すべてのモデルはNIH 3Dプリント取引所11からダウンロードして自由に利用できます。OAD / 55427 / 55427fig4large.jpg &quot;ターゲット=&quot; _空白 &quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

生体分子の物理モデルは、研究者にとってその構造機能の理解を促進し、研究者間のコミュニケーションを助け、教育的努力における教育ツールとして役立つことができます。ここでは、溶融フィラメント製造デスクトップ3Dプリンターを使用して生体分子の正確なモデルを3Dプリンティングするための詳細なガイダンスを提供します。

研究と教育学のための生体分子モデルの3Dプリント

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

このプロトコルの目的は、手頃な価格のデスクトップ3Dプリンターを使用して、構造的に正確な生体分子モデルを作成し、3Dプリントすることです。この手法では、構造データから出発して生体分子の3Dプリント可能なモデルを設計し、低コストの3Dプリンターを用いて作製します。物理的なモデルを3Dプリントすることで、分子の構造と機能に関する相互作用や議論が促進されます。モデルを用いたインタラクションにより、コンピュータのみで可能な範囲を大幅に超える直感的な認識が得られます。まず、UCSF ChimeraにPDBコードを入力し、目的の分子のPDB構造ファイルを取得します。次に、正常にプリントできるように、リボンの直径を太くします。「ツール（Tools）」および「描写（Depiction）」にあるリボン形式のエディターメニューを使用します。「スケーリング（Scaling）」タブで、構造タイプに応じて、すべての項目の高さを少なくとも 0.7 に変更してください。より堅牢なモデルを得るには、水素結合を表示させます。次に、PseudoBondのスタイルをstickに変更し、半径を0.6に変更します。これで、表示されているリプレゼンテーションを3Dファイルとしてエクスポートします。ファイル形式にSTLを選択し、モデルを保存してください。印刷を行う前に、さらなる処理が必要です。複雑なモデルでは非常に一般的であるオブジェクトの重複が発生しているため、修復が必要です。これを修正するには、Autodesk NetFabbを開き、ChimeraからエクスポートしたSTLファイルをインポートしてください。NetFabbで「Extras」メニューを開き、「Automatic Part Repair」を選択し、次に「Extended Repair」を選択して、ファイルの処理が完了するまで待ちます。小さなモデルの場合は数秒で完了しますが、大きなモデルの場合は数分かかることがあります。モデルの処理が完了したら、結果を保存します。モデルを右クリックし、[Export Part]から[As STL]を選択するか、[Project]から[Export Project as STL]を使用します。プログラムは、元のファイルと区別するためにファイル名に「repaired」を追加します。STLモデルは、Autodesk Meshmixerを使用して自動的に方向を調整するか、simplified 3Dで手動で方向を調整することが可能です。最適な向きを設定することで、材料の使用量を抑え、印刷時の失敗確率を下げることができます。自動方向設定を行うには、Meshmixerを開き、修正済みのSTLファイルをインポートします。次に、「Analysis」から「Orientation」を選択してください。Strength Weight（強度重み）の値を100に調整します。Support Volume Weight（サポート体積重み）の値を0に調整します。Support Area Weight（サポート面積重み）を0に調整し、「Update（更新）」をクリックします。次に、オーバーハングの数を最小限に抑えるようにモデルを回転させます。得られた方向で確定するには、ドロップダウンメニューを開き、結果をバイナリSTLファイルとしてエクスポートします。スライシングソフトウェアを開き、そのSTLファイルを選択してください。モデルをダブルクリックし、スケーリング係数を入力します。デフォルトは1,000万であり、これはプリントされたモデルの1 cmが分子の1 nmに相当することを意味します。次に、リボン表示とスティック表示を少なくとも300%にスケールアップし、プリントに十分な大きさになるようにします。サーフェスは必要に応じてスケール変更が可能です。必要であればモデルの向きを調整し、モデルのサポート構造を生成します。「Support」アイコンをクリックし、「normal supports」を選択してください。オーバーハングの最大角度を50度に指定し、今回の例では3mmとするなど、モデルの形状の大きさに適したピラー解像度を指定します。その後、「自動サポート生成」をクリックします。これらの構造体により、プリント中にモデルの分離している箇所やオーバーハングしている箇所が固定されます。次に、自動生成されたサポートを編集し、不足しているサポートの追加と不要なサポートの削除を行います。まず、「サポート追加」ツールを使用して、オーバーハングしているすべての形状が十分に支持されており、構造物が空中に浮いていないことを確認します。次に、「サポート削除」ツールを使用して、αヘリックスの内部や結合ポケットなどのサポートおよび内部空隙を削除します。次に、特定のプリンターと印刷材料に合わせてモデルのG-codeを準備するための印刷プロセスを追加します。印刷プロセスの設定を次のように編集してください。使用するフィラメントの種類を選択します。PLAの使用を推奨します。次に、材料の初期フローを良好にするためにスカートを追加します。その後、モデルとサポートを固定するためのラフトを追加します。リボンモデルには50%、サーフェスモデルには20%のインフィルを使用してください。印刷を成功させるために調整可能なパラメータが他にも多数あります。詳細はウェブサイトのプログラムドキュメントを参照してください。次に、「印刷準備」をクリックし、適切なプロセスを選択します。これにより、モデルが層状にスライスされ、プリンターノズルが追従するパスが構築されます。プリント失敗の原因となるモデルの問題は、軌跡のプリントアウトで検出できることが多いです。生成された軌道を常に確認し、必要に応じてモデルを修正することが重要です。最後に、Gコードの軌道にエラーがないか検査します。オーバーハング部分にサポートが不足していないか、転倒する可能性のある高く孤立した構造物がないか、不要な空洞がないか、または印刷するには薄すぎる箇所がないかを確認してください。プリント軌道に問題がなければ、Gコードファイルとして保存します。問題がある場合は、モデル、方向、またはプロセス設定を編集し、再度試行してください。開始するには、フィラメントをロードし、ベッドが水平であることを確認してプリンターを準備します。次に、コンピュータからストリーミングするか、プリンターに取り付けたSDカードから、Gコードをプリンターで実行します。第1層が正常に完了するまでプリント状況を確認し、エラーが発生した場合はプロセスを中止してください。デスクトップ3Dプリンターは失敗しやすいため、初心者の方は落胆してしまう可能性があります。付録に一般的な問題点と解決策を記載しています。プリンターのトラブルシューティングには、オンラインリソースの活用をお勧めします。プリントが完了したら、モデルを室温まで冷却し、ゆっくりと横方向に引いてビルドプレートから取り外してください。ラフトがビルドプレートに強く密着している場合は、鋭利なエッジを使用して慎重に剥がしてください。次に、標準的なペンチを使用してモデルからサポート構造を取り除きます。多くは標準的なペンチで取り除くことができますが、手の届きにくい場所にあるものや、繊細な構造に接続されているものは、ニッパーを使用して取り除きます。ユビキチンのリボンモデルにより、αヘリックスとβシートの構造、および水素結合の位置が明らかになります。対照的に、ユビキチンの表面モデルを作成することも可能です。原子表現によるアルファヘリックスのモデルでは、アミノ酸残基が水素結合によってどのようにつながり、ヘリカルな二次構造を形成するかが示されています。ヒストンH3タンパク質のモデルは、リボン表現および表面表現で作成できます。これらのモデルは、複数のヒストンが互いにどのように相互作用してより大きな複合体を形成するかを明らかにしています。ヒストンタンパク質の8量体はヌクレオソームのコアを形成しており、ヒストンサブユニットの四次構造を示しています。ヒストン8量体の周囲に巻き付いてヌクレオソームコア粒子を形成するDNAは、柔軟なフィラメントでプリントされており、取り外し、ねじり、およびコイル状への巻き上げが可能です。最後に、ジヌクレオソームの表面モデルを用いて、ヌクレオソームコア粒子が「ビーズ状の紐」としてどのように形成されるかを示します。複数のジヌクレオソームを積み重ねることで、クロマチン繊維のらせん構造を明らかにすることができます。生体分子の物理モデルは、デジタルモデルよりも優れた利点があります。これらは手に取って操作したり、指し示したり、研究者と学生の間で受け渡ししたりすることが可能です。こうした動作により、アイデアの伝達がスムーズになったり、分子の特徴を具体的に指摘したりすることができます。分子モデルは複雑な3D幾何構造を持つため、プリントするのが難しい場合があり、いくつかの試行錯誤が必要になることがあります。本プロトコルでは、このプロセスで頻繁に発生する一般的な問題の解決方法を解説します。本プロトコルに従うことで、生体分子のデジタル3Dモデルを作成し、その3Dファイルを処理して、熱可塑性樹脂積層法（FFF）方式の3Dプリンターを用いて物理的モデルを製作することができます。

3d-printing-of-biomolecular-models-for-research-and-pedagogy

Research

JoVE Journal

Engineering

工学

現代のプラスチック押出成形と印刷技術を使用して、それは迅速かつ安価に実験室で撮影、X線CTデータの物理的なモデルを生成することが可能になりました。断層データの3次元印刷は現在、前臨床イメージング·コミュニティーによってアクセスすることができる強力な可視化、調査、および教育ツールです。...

前臨床X線コンピュータ断層撮影データセットの3Dプリント

方法は、結晶内の解剖学的撮像データを表すために本明細書に記載されています。我々は、クリスタルガラスの表面下レーザー彫刻（SSLE）における使用のための生物医学的イメージングデータのスケーリングされた三次元モデルを作成します。このツールは、計算、表示または臨床や教育現場内で使用される3次元的に印刷されたモデルへの有益な補完を提供しています。...

ガラスの結晶の次のサブ表面レーザー彫刻のための生物医学断層画像データと関連するラベルのスケーリングされた解剖モデルの作成（SSLE）

Bioprintable アルギン酸/ゼラチン bioink...

Bioprintable アルギン酸/ゼラチン ゲル 3 Dの in Vitroモデル システム細胞スフェロイドの形成を誘導します。

この記事では、低コストの商用3D プリンタを、パターン化したバイオフィルムの印刷を容易にすることができる細菌3D プリンタに変換する方法について説明します。Bioprinter...

Bioprinter で設計されたバイオフィルムの三次元パターン化

スピンコーティング、ポリジェット印刷、および融合蒸着モデリングが統合され、生体組織の構造的および機能的特性をシミュレートする多層異種ファントムを生成します。...

生体組織をシミュレートするファントムのマルチモーダル3Dプリンティング

顕微鏡システムの物理モデリングは、他の手段では得ることが困難な洞察を得るのに役立ちます。物理的な分子モデルの構築を容易にするために、3Dプリンティングを使用して、分子系の質を触覚的に捉える機能的な巨視的モデルを組み立てる方法を実証します。...

3Dプリンティングによるインタラクティブ分子モデルアセンブリ

この方法は、正確な空間忠実度と空間/コントラスト解像度で医用画像から直接印刷するボクセルベースの3D印刷ワークフローを示しています。これにより、形態学的に複雑で目盛りのある材料を介して、データの損失や変更なしに放射密度に相関する材料分布の正確で段階的な制御が可能になります。...

ボクセル印刷の解剖学:ビットマップ印刷による現実的な手術前計画モデルの設計と製造

本稿では、フォトチューナブルハイドロゲルを3Dバイオプリントして、細胞外マトリックスの硬化と線維芽細胞の活性化を研究する方法について説明します。...

線維芽細胞の活性化を研究するための3Dバイオプリンティング用フォトチューナブルハイドロゲル

マイクロメートルスケールの3Dプリンティングにより、神経細胞培養用のポリマーデバイスのラピッドプロトタイピングが可能になります。原理証明として、ニューロン間の構造的結合は、神経突起伸長に影響を与える障壁とチャネルを作成することによって制約され、そのような操作の機能的結果は細胞外電気生理学によって観察されました。...

2光子重合によるマイクロスケール神経細胞培養装置の3Dプリンティング

このプロトコルは慣習的な液体培養かペトリ皿より自然な生息地に類似している複雑な3D多孔質のヒドロゲルのマトリックスの運動性そして成長を調査する細菌のコロニーの三次元(3D)印刷のためのプロシージャを記述する。...

複雑な3D多孔質媒体の運動性と増殖を研究するための3Dプリンティングバクテリア

可溶性基底膜抽出物は、がん研究で最も広く使用されている生物学的マトリックスですが、その複雑なレオロジー挙動により、市販のバイオプリンティングシステムではバイオプリンティングが困難になります。この研究は、単一層と多層の両方で良好な形状忠実度を持つ純粋なマトリックスコンストラクトを生成するためのカスタマイズされたバイオプリンティング戦略を示しています。...

トランスレーショナルリサーチのための可溶性基底膜抽出物のバイオプリンティングのための容積押出バイオプリンターの設計と検証

学ぼう、PDB構造データから生体分子モデルを3Dプリントする手法。UCSF ChimeraとAutodesk NetFabbを用いて、構造生物学の教育と研究のための正確な物理モデルを作成する方法です。

研究と教育学のための生体分子モデルの3Dプリント

さらに動画を探す