Druk 3D modeli biomolekularnych do badań i pedagogiki

Celem tego protokołu jest tworzenie i drukowanie 3D strukturalnie dokładnych modeli biomolekularnych przy użyciu niedrogiej stacjonarnej drukarki 3D. Metoda ta służy do projektowania modeli biomolekuł do druku 3D, zaczynając od danych strukturalnych i wytwarzając je przy użyciu tanich drukarek 3D. Drukowanie 3D modeli fizycznych ułatwia interakcję i dyskusję na temat struktury i funkcji molekularnej.

Interakcja z modelami zapewnia intuicyjną percepcję, która znacznie wykracza poza to, co jest możliwe przy użyciu komputera. Aby rozpocząć, najpierw pobierz plik struktury PDB interesującej Cię cząsteczki, wprowadzając kod PDB w UCSF Chimera. Następnie należy pogrubić średnicę taśmy, tak aby można ją było z powodzeniem wydrukować.

Użyj menu edytora stylów wstążki w obszarze Narzędzia i przedstawianie. Na karcie Skalowanie zmień wysokość każdego elementu na co najmniej 0,7, w zależności od typu struktury. Aby uzyskać mocniejszy model, wyświetl wiązania wodorowe.

Następnie zmień styl PseudoBond na stick i zmień promień na 0,6. Teraz wyeksportuj wyświetloną reprezentację jako plik 3D. Wybierz STL jako typ pliku i zapisz model.

Przed wydrukowaniem nadal wymagana jest dalsza obróbka. Naprawa jest konieczna ze względu na nakładanie się obiektów, co jest bardzo powszechne w złożonych modelach. Aby rozwiązać ten problem, otwórz program Autodesk NetFabb i zaimportuj plik STL, który został wyeksportowany z programu Chimera.

W NetFabb otwórz menu Dodatki i wybierz opcję Automatyczna naprawa części, a następnie wybierz opcję Naprawa rozszerzona i poczekaj, aż plik zostanie przetworzony. W przypadku małych modeli zajmie to kilka sekund, ale w przypadku dużych modeli może to potrwać kilka minut. Po przetworzeniu modelu zapisz wynik.

Kliknij model prawym przyciskiem myszy i wybierz Eksportuj część i jako STL lub użyj opcji Projekt i Eksportuj projekt jako STL. Program dodaje naprawiony do nazwy pliku, aby odróżnić go od oryginalnego pliku. Model STL może być zorientowany automatycznie za pomocą Autodesk Meshmixer lub ręcznie zorientowany w uproszczonym 3D.

Optymalna orientacja doprowadzi do mniejszego zużycia części i zmniejszy ryzyko niepowodzenia podczas drukowania. Aby uzyskać automatyczną orientację, otwórz Meshmixer i zaimportuj naprawiony plik STL. Następnie wybierz opcję Analiza i orientacja.

Dostosuj wartość Siła Waga do 100. Dostosuj wartość Ciężar objętości podpory do zera. Dostosuj ciężar obszaru podparcia do zera, a następnie kliknij przycisk Aktualizuj.

Model jest następnie obracany w celu zminimalizowania liczby wysięgów. Aby zaakceptować wynikową orientację, otwórz menu rozwijane i wyeksportuj wynik jako binarny plik STL. Otwórz oprogramowanie do krojenia i wybierz plik STL.

Kliknij dwukrotnie model i wprowadź współczynnik skalowania. Wartość domyślna to 10 milionów, co oznacza, że jeden centymetr w wydrukowanym modelu odpowiada nanometrowi w cząsteczce. Następnie przeskaluj reprezentacje wstążek i patyczków do co najmniej 300%aby były wystarczająco duże do wydrukowania.

Powierzchnie można skalować zgodnie z potrzebami. W razie potrzeby dostosuj orientację modelu, a następnie wygeneruj konstrukcje podporowe dla modelu. Kliknij ikonę Podpora i wybierz normalne podpory.

Określ maksymalny kąt wysięgu wynoszący 50 stopni i rozdzielczość słupka odpowiednią do rozmiaru elementów modelu, na przykład trzy milimetry w tym przykładzie. Następnie kliknij przycisk Generuj podpory automatyczne. Konstrukcje te utrzymają oddzielne i zwisające części modelu na miejscu podczas drukowania.

Następnie edytuj automatycznie wygenerowane podpory, aby dodać brakujące podpory i usunąć zbędne. Najpierw użyj narzędzia Dodaj podpory, aby upewnić się, że wszystkie wystające elementy są dobrze podparte i żadne konstrukcje nie zwisają w powietrzu. Po drugie, użyj narzędzia Usuń podpory, aby usunąć podpory i wewnętrzne wgłębienia, takie jak wnętrze helis alfa lub kieszeni wiążących.

Teraz dodaj proces drukowania, aby przygotować model G-code dla określonej drukarki i materiału do drukowania. Edytuj ustawienia procesu drukowania w następujący sposób. Wybierz rodzaj filamentu, z którego będziesz drukować.

Zalecany jest PLA. Następnie dodaj spódnicę, aby zapewnić dobry początkowy przepływ materiału. Następnie dodaj tratwę, aby zabezpieczyć model i podpory.

Użyj wypełnienia 50% w przypadku modeli wstęgowych i 20% w przypadku modeli powierzchniowych. Istnieje wiele innych parametrów, które można dostosować, aby drukowanie zakończyło się sukcesem. Szczegółowe informacje można znaleźć w dokumentacji programu na stronie internetowej.

Następnie kliknij przycisk Przygotuj do drukowania i wybierz odpowiedni proces. Spowoduje to pocięcie modelu na warstwy i skonstruowanie ścieżki, którą będzie podążała dysza drukarki. Problemy z modelem, które spowodują, że wydruk się nie powiedzie, często można dostrzec na wydruku trajektorii.

Ważne jest, aby zawsze sprawdzać wygenerowaną trajektorię i, jeśli to konieczne, przerobić model. Na koniec sprawdź trajektorię G-code pod kątem błędów. Zwróć uwagę na brak podpór pod nawisami, wysokie, izolowane konstrukcje, które mogą zostać przewrócone, niepożądane wgłębienia lub obszary, które są zbyt cienkie, aby można je było wydrukować.

Jeśli trajektoria wydruku wydaje się zadowalająca, zapisz ją jako plik G-code. W przeciwnym razie edytuj ustawienia modelu, orientacji lub procesu i spróbuj ponownie. Aby rozpocząć, przygotuj drukarkę, ładując filament i upewniając się, że stół jest wypoziomowany.

Następnie uruchom G-Code w drukarce, przesyłając go strumieniowo z komputera lub z karty SD podłączonej do drukarki. Obserwuj wydruk, aż pierwsza warstwa zostanie pomyślnie zakończona, i przerwij proces, jeśli wystąpią jakiekolwiek błędy. Stacjonarne drukarki 3D są podatne na awarie, a to może zniechęcać nowych użytkowników.

W załączniku wymieniliśmy typowe problemy i rozwiązania i zachęcamy czytelnika do korzystania z zasobów online w celu rozwiązywania problemów z drukarką. Po zakończeniu wydruku pozwól modelowi ostygnąć do temperatury pokojowej, a następnie odłącz go od platformy roboczej, delikatnie pociągając go na boki. Jeśli tratwa mocno przylega do platformy roboczej, ostrożnie podważ ją ostrą krawędzią.

Następnie usuń konstrukcje wsporcze z modelu za pomocą standardowych szczypiec. Wiele z nich można usunąć za pomocą standardowych szczypiec, a te, które są trudno dostępne lub są połączone z delikatnymi konstrukcjami, można usunąć za pomocą szczypiec tnących. Model wstęgowy ubikwityny ujawnia strukturę helis alfa i arkuszy beta oraz lokalizację wiązań wodorowych.

Dla porównania, można również stworzyć model powierzchniowy ubikwityny. Model helisy alfa z reprezentacją atomową pokazuje, w jaki sposób reszty aminokwasowe łączą się z wiązaniami wodorowymi, tworząc spiralną strukturę drugorzędową. Model białka histonu H3 można wykonać w postaci wstęgi i powierzchni.

Modele te pokazują, w jaki sposób wiele histonów może wchodzić ze sobą w interakcje, tworząc większe kompleksy. Oktamer białek histonowych tworzy rdzeń nukleosomu, odsłaniając czwartorzędową strukturę podjednostek histonów. DNA, które owija się wokół oktameru histonu, tworząc cząstkę rdzenia nukleosomu, jest drukowane za pomocą elastycznego włókna, co umożliwia jego usunięcie, skręcenie i zwinięcie.

Wreszcie, model powierzchni dinukleosomów pokazuje, w jaki sposób cząstki rdzenia nukleosomu tworzą się jako koraliki na sznurku. Wiele dinukleosomów może być ułożonych w stos, aby odsłonić spiralną strukturę włókna chromatyny. Fizyczne modele biomolekuł mają przewagę nad modelami cyfrowymi.

Można nimi manipulować, wskazywać na nie lub przekazywać je między badaczami a studentami. Działania te mogą poprawić komunikację pomysłów lub pomóc w wskazaniu cech cząsteczki. Ponieważ modele molekularne mają złożoną geometrię 3D, mogą być trudne do wydrukowania i mogą wymagać pewnych prób i błędów.

Nasz protokół pomoże użytkownikowi przezwyciężyć niektóre z najczęstszych problemów związanych z tym procesem. Postępując zgodnie z tym protokołem, będziesz w stanie stworzyć cyfrowy model 3D biomolekuły, przetworzyć plik 3D i utworzyć model fizyczny za pomocą drukarki 3D do produkcji topionego filamentu.