研究と教育学のための生体分子モデルの3Dプリント

このプロトコルの目標は、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。この方法は、構造データから始めて生体分子の3Dプリント可能なモデルを設計し、低コストの3Dプリンターを使用してそれらを製造するために使用されます。物理モデルを3Dプリントすると、分子の構造と機能の相互作用と議論が容易になります。

モデルとの相互作用は、コンピューターを使用して可能なことをはるかに超える直感的な知覚を提供します。まず、UCSF ChimeraにPDBコードを入力して、目的の分子のPDB構造ファイルを取得します。次に、リボンの直径を太くして、正常に印刷できるようにします。

リボン スタイル エディタ メニューの [ツールと描写] を使用します。[スケーリング] タブで、構造物のタイプに応じて、すべてのアイテムの高さを少なくとも 0.7 に変更します。より頑丈なモデルを取得するには、水素結合を表示します。

次に、PseudoBond スタイルを stick に変更し、半径を 0.6 に変更します。次に、表示された表現を3Dファイルとしてエクスポートします。ファイルの種類として STL を選択し、モデルを保存します。

印刷する前に、さらに処理が必要です。オブジェクトのオーバーラップにより修復が必要になりますが、これは複雑なモデルでは非常に一般的です。これを修正するには、Autodesk NetFabb を開き、Chimera からエクスポートされた STL ファイルを読み込みます。

NetFabbで、[エクストラ]メニューを開き、[自動パーツ修復]を選択し、[拡張修復]を選択して、ファイルが処理されるまで待ちます。小型モデルの場合、これには数秒かかりますが、大型モデルの場合は数分かかる場合があります。モデルが処理されたら、結果を保存します。

モデルを右クリックして「Export Part and As STL」を選択するか、「Project」および「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付けすることも、簡略化された 3D で手動で方向付けすることもできます。

最適な向きにすることで、部品の使用量が少なくなり、プリント時の故障の可能性が低くなります。自動向きを設定するには、Meshmixerを開き、修復したSTLファイルをインポートします。次に、[解析と方向]を選択します。

強度ウェイト(Strength Weight)の値を 100 に調整します。[サポート ボリューム ウェイト] の値を 0 に調整します。[Support Area Weight] を 0 に調整し、[Update] をクリックします。

その後、モデルを回転させてオーバーハングの数を最小限に抑えます。結果の向きを受け入れるには、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。スライスソフトウェアを開き、STLファイルを選択します。

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、印刷されたモデルの1センチメートルは分子のナノメートルに相当します。次に、リボンとスティックの表現を少なくとも 300% に拡大縮小して、印刷するの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リングできます。必要に応じて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。[サポート] アイコンをクリックし、[通常のサポート] を選択します。

最大オーバーハング角度を 50 度に指定し、モデルのフィーチャのサイズに適した柱の解像度 (この例では 3 ミリメートルなど) を指定します。次に、「自動サポートの生成」をクリックします。これらの構造は、印刷中にモデルの分離された部分と張り出した部分を所定の位置に保持します。

次に、自動的に生成されたサポートを編集して、不足しているサポートを追加し、不要なサポートを削除します。まず、[サポートの追加] ツールを使用して、すべてのオーバーハング フィーチャが十分にサポートされ、構造物が空中にぶら下がっていないことを確認します。次に、Remove Supportsツールを使用して、サポートと内部空洞(αヘリックスの内側やバインディングポケットなど)を削除します。

次に、特定のプリンターと印刷材料用のモデルGコードを準備する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ます。プリントに使用するフィラメントの種類を選択します。

PLAをお勧めします。次に、スカートを追加して、材料の初期の流れを良好にします。次に、いかだを追加してモデルとサポートを固定します。

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ます。印刷を成功させるために調整できるパラメータは他にも多数あります。詳細については、Web サイトのプログラム資料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、モデルがレイヤーにスライスされ、プリンターノズルがたどるパスが構築されます。プリントが失敗する原因となるモデルの問題は、多くの場合、軌道プリントアウトで見つけることができます。

生成された軌跡を常に検査し、必要に応じてモデルを作り直すことが重要です。最後に、Gコードの軌跡にエラーがないか調べます。オーバーハングの下にサポートがない、倒れる可能性のある背の高い孤立した構造物、望ましくない空洞、またはプリントするには薄すぎる領域を探します。

印刷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。それ以外の場合は、モデル、方向、またはプロセス設定を編集して、再試行してください。まず、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、プリンターでGコードを実行し、コンピューターまたはプリンターに接続されたSDカードからストリーミングします。最初のレイヤーが正常に完了するまで印刷を監視し、エラーがある場合はプロセスを中止します。デスクトップ3Dプリンターは故障しやすく、これは新しいユーザーにとって落胆する可能性があります。

付録には一般的な問題と解決策をリストアップしており、読者にはオンラインリソースを利用してプリンターのトラブルシューティングを行うことをお勧めします。プリントが終了したら、モデルを室温まで冷ましてから、モデルを横にそっと引っ張ってビルドプレートから取り外します。いかだがビルドプレートに強く付着している場合は、鋭利なエッジを使用して慎重にこじ開けます。

次に、標準のペンチを使用してモデルから支持構造を削除します。多くは標準的なペンチで取り外すことができ、手が届きにくいものやデリケートな構造物に接続されているものは、カッティングペンチを使用して取り外すことができます。ユビキチンのリボンモデルにより、アルファヘリックスとベータシートの構造、および水素結合の位置が明らかになります。

それに比べて、ユビキチンの表面モデルも作ることができます。原子表現を持つアルファヘリックスのモデルは、アミノ酸残基が水素結合と結合してらせん状の二次構造を形成する方法を示しています。ヒストンH3タンパク質モデルは、リボンと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相互作用してより大きな複合体を形成する方法を明らかにしています。ヒストンタンパク質の八量体がヌクレオソームのコアを形成し、ヒストンサブユニットの四次構造を明らかにします。ヒストン八量体の周りを巻き取り、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印刷され、除去、ねじれ、巻き付けることができます。

最後に、ジヌクレオソーム表面モデルは、ヌクレオソームコア粒子が弦上のビーズとしてどのように形成されるかを示しています。複数のジヌクレオソームを積み重ねて、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には、デジタルモデルよりも利点があります。

それらは、研究者と学生の間で操作されたり、指差されたり、渡されたりする可能性があります。これらの行動は、アイデアのコミュニケーションを改善したり、分子の特徴を指摘するのに役立ちます。分子モデルは複雑な3D形状を持っているため、プリントが難しく、試行錯誤が必要な場合があります。

私たちのプロトコルは、ユーザーがプロセスで最も一般的な問題のいくつかを克服するのに役立ちます。この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、3Dファイルを処理して、溶融フィラメント製造3Dプリンターを使用して物理モデルを作成することができます。