Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

3D طباعة نماذج الجزيئية البيولوجية للبحوث والتربية

Published: March 13, 2017 doi: 10.3791/55427
Automatic Translation
1, 2, 3, 4, 4, 5
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

Introduction

فهم شامل من وظيفة ونشاط من جزيء حيوي يتطلب تحديد هيكلها ثلاثي الأبعاد (3D). ويتحقق ذلك بشكل روتيني باستخدام البلورات بالأشعة السينية، NMR، أو المجهر الإلكتروني. ويمكن فهم هياكل 3D من خلال تصور نماذج أو كائنات دقيقة تشبه الهياكل التي يمثلونها 1. تاريخيا، كان بناء نماذج 3D المادية اللازمة للمحققين للتحقق من صحة، واستكشاف، والتواصل الفرضيات الناتجة بخصوص وظيفة من الجزيئات الحيوية. وقد وفرت هذه النماذج، مثل الحلزون واتسون-كريك في الحمض النووي المزدوج والحلزون ألفا بولينغ، ونظرة فريدة في العلاقات هيكل وظيفة وكانت محورية في فهمنا في وقت مبكر من الحمض النووي والبروتينات هيكل وظيفة 2، 3، 4. على الرغم من أن البروتين المعقدة ونماذج الحمض النووي يمكن أن تنشأ، والوقت والتكلفة اللازمين لبناء النموذج المادي وتفوق في نهاية المطاف من السهولة النسبية التصور الجزيئي بمساعدة الكمبيوتر.

تطور الطباعة 3D، المعروف أيضا باسم مضافة التصنيع، وقد مكنت مرة أخرى بناء النماذج المادية من الجزيئات الحيوية 5. 3D الطباعة هي عملية افتعال، وجوه 3D المادي من ملف رقمي من خلال إضافة متتابعة من طبقات من مادة (ق). وتستخدم مجموعة متنوعة من الآليات في هذه العملية. حتى وقت قريب، كانت الآلات المستخدمة لإنتاج نماذج طبيعية من الجزيئات الحيوية مكلفة للغاية لاستخدامها على نطاق واسع. ومع ذلك، في العقد الماضي، تكنولوجيا الطباعة 3D، تنصهر فيها خيوط تلفيق (FFF) على وجه الخصوص، وقد تقدمت بشكل ملحوظ، مما يجعلها في متناول لاستخدام المستهلك 6. طابعات FFF متوفرة الآن بشكل شائع في المدارس الثانوية والمكتبات والجامعات والمختبرات. وزيادة القدرة على تحمل التكاليف وسهولة الوصول إليها من تكنولوجيا الطباعة 3Dجعلت من الممكن لتحويل الرقمية نماذج الجزيئية البيولوجية 3D في دقيقة والمادية نماذج الجزيئية البيولوجية 3D 7، 8، 9. وتشمل هذه النماذج ليس فقط تمثيل بسيط من الجزيئات الحيوية واحدة، ولكن أيضا المجالس الجزيئات المعقدة، مثل الريبوسوم وفيروس الهياكل القفيصة. ومع ذلك، فإن عملية الطباعة الجزيئات الحيوية الفردية والجمعيات الجزيئات تطرح العديد من التحديات، وخاصة عند استخدام أساليب البثق بالحرارة. على وجه الخصوص، تمثيل الجزيئات الحيوية غالبا ما يكون هندستها معقدة يصعب على طابعات لإنتاج، وإنشاء وتجهيز النماذج الرقمية التي ستطبع بنجاح يتطلب مهارة مع النمذجة الجزيئية، والنمذجة 3D، وبرنامج الطابعة 3D.

سير العمل 3D لطباعة جزيء حيوي واسع يحدث في أربع خطوات: (1) إعداد نموذج الجزيئية البيولوجية من تنسيق ملفها للطباعة 3D،(2) استيراد نموذج الجزيئية البيولوجية في برنامج "تشريح" لقطاع نموذج للطابعة ولتوليد هيكل الدعم التي من شأنها دعم جسديا مع النموذج الجزيئية البيولوجية. (3) اختيار خيوط الصحيح وطباعة نموذج 3D. و (4) خطوات معالجة مرحلة ما بعد الإنتاج، بما في ذلك إزالة الدعم المادي من طراز (الشكلان 1 و 2). الخطوة الأولى في هذه العملية، والتلاعب حسابيا ملف تنسيق من جزيء حيوي، أمر بالغ الأهمية. في هذه المرحلة، يمكن للمستخدم بناء تعزيزات نموذج في شكل الدعامات، وكذلك إزالة الهياكل التي هي خارجة عن ما يختار المستخدم لعرضه. وبالإضافة إلى ذلك، يتم اختيار التمثيل في هذه المرحلة: ما إذا كان عرض كل أو جزء من جزيء حيوي وتمثيل سطح، وأشرطة، و / أو الذرات الفردية. مرة واحدة مصنوعة من إضافات و / أو الطرح من المحتويات الضرورية ويتم تحديد التمثيل، يتم حفظ هيكل باعتباره مو 3Dملف ديل. بعد ذلك، يتم فتح الملف في البرنامج الثاني لتحويل النموذج إلى ملف طباعة 3D التي يمكن طباعتها، طبقة بعد طبقة، إلى نسخة طبق الأصل البلاستيك من جزيء حيوي.

هدف بروتوكول لدينا هو جعل تصنيع نماذج الجزيئية في متناول أعداد كبيرة من المستخدمين الذين لديهم إمكانية الوصول إلى الطابعات FFF لكن تقنيات الطباعة 3D لا أكثر تكلفة. هنا، ونحن نقدم دليلا للطباعة 3D من الجزيئات الحيوية من البيانات الجزيئية 3D، مع الأساليب التي هي الأمثل للطباعة FFF. نحن بالتفصيل كيفية تحقيق أقصى قدر من القابليه الهياكل الجزيئية البيولوجية المعقدة وضمان بسيط بعد تجهيز النماذج المادية. تتم مقارنة خصائص عدة مواد الطباعة المشتركة أو خيوط، وتوصيات بشأن استخدامها لخلق ترد طباعة مرنة. وأخيرا، فإننا عرض سلسلة من الأمثلة على النماذج الجزيئية البيولوجية المطبوعة 3D والتي تثبت استخدام التمثيلات الجزيئية المختلفة.

Protocol

1. إعداد الملفات 3D النموذجي للطباعة

ملاحظة: ملفات نموذج 3D من الجزيئات الحيوية يمكن أن تتولد من خلال طريقتين: (1) على الانترنت باستخدام الأدوات الآلية من المعاهد الوطنية للصحة 3D تبادل طباعة 10، أو (2) محليا باستخدام برامج النمذجة الجزيئية. تلقائيا النماذج المولدة سوف تستخدم العمليات المفصلة في هذا البروتوكول لإنشاء تمثيلات للطباعة، ولكن تفاصيل التمثيل لا يمكن اختيارها من قبل المستخدم. في المقابل، الجيل نموذج مخصص يسمح عنصر تحكم المستخدم على الخصائص البصرية للجزيء حيوي. الذرات الفردية والمخلفات، والسندات يمكن عرض، وحجم وأشرطة، والسندات، ويمكن تحديد الدعامات. المعاهد الوطنية للصحة 3D طباعة تبادل الأدوات الآلية وبروتوكول أدناه على حد سواء استخدام UCSF الوهم، والحرة والمفتوحة المصدر النمذجة الجزيئية حزمة برامج 11 التي هي مناسبة تماما لتصدير الملفات 3D من الجزيئات الحيوية. جميع ملفات 3D التي تصدرها انغستروم استخدام الوهم لوحدة المسافة. عندما يتم استيراد هذه الملفات إلى برنامج تشريح في وحدة ملم / المسافة 1، سيتم تحجيم النماذج بمعدل 10 مليون مرة التكبير.

  1. تولد تلقائيا نموذج 3D طباعة مع المعاهد الوطنية للصحة 3D تبادل طباعة
    ملاحظة: يتم تشغيل البورصة طباعة المعاهد الوطنية للصحة 3D مخطوطات الوهم، التي تشبه إلى الخطوات الموضحة في الخطوات 1،2-1،3.
    1. حدد موقع ملف البيانات الجزيئي للهيكل الجزيئية البيولوجية للطباعة من قاعدة بيانات إما فوسفات، بنك المعلومات، أو بوب كيم (الملحق 1.1). تسجيل عدد الانضمام لجزيء حيوي من الفائدة.
    2. انتقل إلى المعاهد الوطنية للصحة 3D تبادل طباعة (3dprint.nih.gov) وإنشاء حساب مستخدم جديد، إذا كان المستخدم لأول مرة.
    3. انتقل إلى ميزة "خيارات إرسال"، أدخل رمز جزيء حيوي الانضمام، وانقر فوق تقديم.
    4. بعد توليد نموذج من جزيء حيوي، انتقل إلى صفحة نموذج وتحميل ملف المحكمة الخاصة بلبنان جزيء حيوي في "الشريط"أو" سطح "التمثيل. انتقل إلى القسم 2 من البروتوكول.
  2. توليد نموذج الجزيئي مخصصة مع UCSF الوهم
    ملاحظة: التفاصيل أكبر على استخدام الوهم لصنع نماذج 3D، بما في ذلك مكافئات سطر الأوامر لكثير من الخطوات، يمكن العثور عليها في الملحق 1.2.
    1. تحميل وتثبيت UCSF الوهم (https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html).
    2. عن طريق الوهم واسترجاع ملف البيانات الجزيئية عن طريق القيام بأحد الإجراءات التالية:
      1. باستخدام ملف القيادة شريط الأدوات> احضار عن الهوية، إدخال رمز الانضمام بوب كيم، فوسفات، أو بنك المعلومات لاسترداد الملف مباشرة من قاعدة البيانات.
      2. باستخدام ملف القيادة شريط الأدوات> فتح، استرداد ملف البيانات الجزيئية المحلي؛ افتراضيا، فإن جزيء عرض شرائط للبروتين وحمض نووي، والذرات والسندات لبروابط، والمخلفات داخل 5 Å من liganد.
      3. باستخدام سطر الأوامر الوهم، يمكن الاطلاع عليه من خلال الذهاب الى المفضلة> سطر الأوامر، استخدم الأمر فتح وأدخل رمز الانضمام.
  3. إعداد التمثيل 3D للطباعة من جزيء حيوي
    ملاحظة: هناك العديد من الطرق التي بنية الجزيئية البيولوجية قد يتم عرض أو تمثيل. اختيار صورة خاصة للطباعة وينبغي بذل على أساس أفضل السبل لتوفير أكبر قدر من التبصر في جزيء حيوي هيكل الوظائف. الشائعة الاستخدام مثل التمثيل "أشرطة"، "السطح"، و "الذرات / السندات". ومع ذلك، فمن الأفضل لاستكشاف باستخدام مزيج من هذه التأكيدات لعرض السلاسل الجانبية حدد أو بروابط. وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون هيكل مطبوعة 3D قوية بما فيه الكفاية لتكون مطبوعة وعدم كسر عند التعامل معها. وبالتالي، فمن المهم النظر في هذه عند اختيار التمثيل أو عرض سلسلة جانبية. المرضس النظر في إدخال هياكل دعم، أو "الدعامات". وأخيرا، عند طباعة النموذج، سيكون من المهم لتوسيع نطاق بحيث يتم طباعة كافة الميزات بشكل صحيح. وهكذا، على الجزيئات الحيوية الكبيرة، طباعة تماما في أشرطة أو تمثيل ذرة قد لا يكون ممكنا بسبب المقياس الذي سوف تحتاج إلى أن تكون مطبوعة هذه.
    1. توليد تمثيل 3D للطباعة في "أشرطة"
      ملاحظة: يمكن الاطلاع على المزيد من التفاصيل في ملحق 1.2.1.
      1. حدد "مذيب،" وضوحا والتي تشمل أيونات، باستخدام اختر> الهيكل> المذيبات.
      2. إخفاء المحدد "المذيب" باستخدام تطبيقات> الذرات / سندات> إخفاء.
      3. رشاقته قطر الشريط بحيث يمكن طباعتها بنجاح. استخدم القائمة الشريط نمط محرر ضمن أدوات> تصوير.
        ملاحظة: سوggested المعلمات لمحاولة أولية: تحت علامة التبويب تحجيم، تغيير ارتفاع كل بند على 0.7 على الأقل، وعرض كل إعداد على الأقل ما يلي: لفائف 0.7. الحلزون 1.4. ورقة: 1.4. السهم (قاعدة): 2.1. السهم (نصيحة) 0.7. نوكليك 1.0.
      4. إذا كان الحمض النووي هو الحاضر، تغير التمثيل قاعدة مع تطبيقات> الذرات / سندات> التحف النوكليوتيدات> الإعدادات. تغيير العرض السكر / قاعدة للسلم ودائرة نصف قطرها يدق إلى 0.6.
      5. اختياري: انتقل إلى الخطوة 1.3.3 لإدخال هياكل الدعم.
    2. توليد 3D للطباعة "سطح" تمثيل جزيء
      ملاحظة: يمكن الاطلاع على المزيد من التفاصيل في ملحق 1.2.2.
      1. إخفاء كل التأكيدات السابقة. استخدام تطبيقات> الذرات / سندات> اخفاء، وتطبيقات> شرائط>إخفاء.
      2. عند تقديم ذرات كما المجالات، وضبط نصف قطرها عن طريق تحديد ذرة المطلوب (ق) ويذهب إلى تطبيقات> قائمة فحص.
        ملاحظة: يمكن تغيير نصف القطر الذري الافتراضية تجعل من السهل التمييز بين أنواع الذرة المختلفة في نموذج مطبوع.
      3. إخفاء أي عرض أشرطة، والذرات، والسندات، وpseudobonds باستخدام تطبيقات> الذرات / سندات> إخفاء وتطبيقات> شرائط> إخفاء.
      4. إذا كان المطلوب التفاصيل السطحية، إضافة ذرات الهيدروجين بحيث حساب السطح هو أكثر دقة. استخدام أدوات> الهيكل التحرير> AddH.
      5. توليد سطح عن طريق إدخال الأمواج # 0 شبكة 0.5 في سطر الأوامر.
    3. توليد تمثيل 3D للطباعة في "ذرات / السندات."
      ملاحظة: يمكن الاطلاع على المزيد من التفاصيل في ملحق 1.2.3.
      1. إخفاء المذيب. استعمالاختر> الهيكل> المذيبات وثم تطبيقات> الذرات / سندات> الاختباء.
      2. عرض بقايا محددة و / أو بروابط في التمثيل كما الذرات والسندات عن طريق اختيار وتبين لهم مع تطبيقات> الذرات / سندات> المعرض. الطريقة التي يتم تمثيل ذرات يمكن تغيير في الإجراءات> الذرات / السندات القائمة المنسدلة عن طريق اختيار عصا، الكرة والعصا، أو المجال.
      3. بعد عمل التحديد، وزيادة في دائرة نصف قطرها من العصا أو الكرة والعصا التمثيل مع تطبيقات> قائمة فحص.
      4. اختياري: انتقل إلى الخطوة 1.3.4 لإدخال هياكل الدعم.
  4. واضاف الدعم الهيكلي لتمثيل 3D للطباعة
    ملاحظة: مزيد من التفاصيل يمكن العثور عليها في ملاحق 1.2.4 و1.2.5. في هذه المرحلة، يمكن إضافة الدعامات للنموذج 3D. فمن المستحسن لألفا اللوالب والهياكل الثانوية ورقة بيتا لتشمل السندات الهيدروجين العمود الفقري للاستقرار، على الرغم من أن بروتينات صغيرة (أي أقل من 50 البقايا) غالبا ما تكون ممثلة على النحو الشريط مع سمك نموذجي ويمكن طباعة بشكل جيد من دون هذا الدعم. ومع ذلك، من أجل البروتينات أكبر، حتى مع إضافة روابط هيدروجينية، العديد من النماذج الشريط لا تزال حساسة جدا بحيث لا يمكن طباعتها بنجاح. الدعامات هي اتصالات فعلية داخل النموذج الذي لا يعكس أي ممتلكات الجزيئية ولكن إضافة إلى القوة الميكانيكية، وبالتالي تسهيل الطباعة والمناولة. الوهم يوفر وسيلة سريعة لإضافة تلقائيا الدعامات إلى نموذج مع الأمر تبختر عبر سطر الأوامر، ويمكن أن الدعامات الفردية أيضا عرض يكون يدويا باستخدام أداة المسافات.
    1. عرض الروابط الهيدروجينية لإعداد طباعة أكثر ثباتا. استخدام أدوات القائمة> تحليل هيكل> FindHBond.
    2. استخدام أدوات> مقاولات عامةسيادة القانون والأمن> لوحة PseudoBond لتعديل روابط هيدروجينية. حدد pseudobonds "الرابطة الهيدروجينية"، انقر فوق الزر سمات والتحقق من "مكون PseudoBond سمات" مربع. في لوحة أسفل، تغيير نمط السندات من الأسلاك التمسك وقيمة نصف قطر 0،2-0،6.
    3. اختياري: اضافة هيكل الدعم (ق)، أو "الدعامات" باستخدام الأمر الدعامات. لإنشاء الدعامات الزرقاء مع دائرة نصف قطرها 1.0 Å في ألفا الكربون من كل 70 المخلفات إلى أبعد من 8 Å بعيدا، استخدم الأمر: الدعاماتca طول 8 الحلقة 70 اللون الأزرق راد 1.0 fattenRibbon كاذبة.
    4. اختياري: لإنشاء الدعامات الفردية مع أداة المسافات، حدد ذرتين من التحول السيطرة النقر على كل منهم، واستخدام أدوات> تحليل هيكل> المسافات، وانقر فوق إنشاء لإضافة pseudobond. Navigatالبريد لوحة PseudoBond، حدد pseudobonds "رصد المسافة"، انقر فوق الزر الصفات، والتحقق من "مكون PseudoBond سمات" مربع. في لوحة أسفل، تغيير نمط السندات من الأسلاك التمسك وقيمة نصف قطر ،2-،01.
    5. تصدير جعل الوهم كملف نموذج 3D المحكمة الخاصة بلبنان
      1. وبعد الحصول على تمثيل المطلوب، واستخدام ملف> تصدير المشهد لتصدير ملف 3D. تحديد المحكمة الخاصة بلبنان كنوع الملف واسم وحفظ النموذج. ملاحظة: هذا الملف المحكمة الخاصة بلبنان يمكن إصلاحه، المنحى، وطباعتها كما هو موضح في المادة 2 من البروتوكول.

2. معالجة الملفات المحكمة الخاصة بلبنان للطباعة

  1. ملفات إصلاح المحكمة الخاصة بلبنان مع أوتوديسك Netfabb
    ملاحظة: قد يتطلب نموذج إصلاح عندما كان يحتوي على قطع متداخلة متعددة مع الأسواق العالمية ضغطهاrsecting هندستها، كما هو الحال مع نماذج الشريط والنماذج الذرية عموما. تداخل الهندسة قد تتسبب في حدوث أخطاء عند قراءة الملف عن طريق بعض البرامج تشريح، كما يمكن أن تفسر المناطق المتداخلة كما السطح الخارجي للنموذج. ويمكن الاطلاع على المزيد من التفاصيل في الملحق 2.1.
    1. تحميل وتثبيت النسخة القياسية من البرنامج.
    2. فتح البرنامج واستيراد ملف المحكمة الخاصة بلبنان إلى إصلاح. إذا كان هناك مشاكل مع شبكة، سيتم عرض علامة تحذير.
    3. استخدام إضافات> الجزء إصلاح تلقائي، حدد إصلاح موسع، والانتظار بينما تتم معالجة الملف؛ لنماذج صغيرة، وهذا سوف يستغرق ثوان، ولكن لنماذج كبيرة، قد يستغرق دقائق.
    4. انقر بزر الماوس الأيمن على نموذج وحدد تصدير الجزء> والمحكمة الخاصة بلبنان أو استخدام Project> مشروع تصدير كما STL لحفظ نموذج إصلاحه. وإضافة برنامج "إصلاح" لاسم لتمييزه عن الملف الأصلي.
  2. نماذج توجيه للطباعة مع أوتوديسك Meshmixer
    ملاحظة: سوف التوجه الأمثل لنموذج مسبق لتشريح خفض عدد يتدلى، وبالتالي فإن عددا من الدعم المطلوبة أثناء عملية الطباعة. ومن شأن النموذج الموجه نحو أمثل طباعة أسرع، واستخدام مواد أقل، ويكون أقل عرضة للفشل أثناء الطباعة. ويمكن الاطلاع على المزيد من التفاصيل في الملحق 2.2.
    1. تحميل وتثبيت برنامج
    2. استيراد ملف المحكمة الخاصة بلبنان إصلاحه في البرنامج.
    3. اختر تحليل> التوجيه.
    4. ضبط قيمة الوزن القوة إلى 100، قيمة دعم المجلد الوزن 0، دعم منطقة الوزن إلى 0 ثم قم بتحديث النموذج. هذا وسوف تدوير نموذج لتقليل عدد يتدلى. قبول التوجه الناتجة عن ذلك.
    5. استخدام ملف> تصدير واختيار ملف المحكمة الخاصة بلبنان ثنائي من القائمة المنسدلة. حفظ الملف.

3. التقطيع والطباعة

  1. اختيار المواد خيوط
    ملاحظة: اختيار مواد الطباعة وينبغي أن يتم قبل استخدام برنامج تشريح، وإعدادات الطباعة تختلف عن مواد مختارة. المواد الثلاث التي تستخدم على نطاق واسع هي عديد حمض اللبنيك (PLA)، اللدائن الحرارية (TPE)، والستايرين الأكريلونيتريل (ABS). جيش التحرير الشعبى الصينى عموما المادة الأكثر فعالية لطباعة النماذج الجزيئية تفصيلا، لأنه يبرد بسرعة، وتلتزم بشكل جيد لوحة البناء، ونادرا ما الإعوجاج. TPE هو مادة مشابهة لجيش التحرير الشعبى الصينى، ويمكن استخدامها لإنتاج نماذج مرنة. فمن المستحسن لنماذج سطح البروتين تكميلية أو نماذج البروتين الشريط. ABS أقوى وأكثر مرونة من جيش التحرير الشعبى الصينى، ولكنها تنتج الجسيمات يمكن أن تكون خطرة أثناء الطباعة 12. عموما لا ينصح لطباعة النماذج الجزيئية، كما ينتج عن ارتفاع درجة حرارة المواد في ليهق إنتاج الدقيق من الميزات الصغيرة. ويمكن الاطلاع على المزيد من التفاصيل في الملحق 3.1.
    1. طباعة مع عديد حمض اللبنيك (PLA).
      1. ضبط درجة حرارة فوهة إلى 210 درجة مئوية. لضمان التصاق جزء منه إلى السرير، وضبط درجة الحرارة السرير إلى 70 درجة مئوية. في حالة استخدام سرير القارسة، وتغطي مع الشريط الرسامين. استخدام التبريد النشط.
    2. طباعة مع اللدائن الحرارية (TPE)
      1. كرر الخطوة 3.1.1.1. ضبط سرعة الطباعة إلى 1200 مم / دقيقة أو أقل.
    3. طباعة مع الستايرين الأكريلونيتريل (ABS)
      1. لا تستخدم التبريد. ضبط درجة حرارة فوهة إلى 240 درجة مئوية. لضمان التصاق جزء منه إلى السرير، وضبط درجة الحرارة السرير إلى 110 درجة مئوية.
  2. توليد G رمز
    ملاحظة: سيتم استيراد نموذج ب 10 مليون مرة التكبير افتراضيا. يجب تحجيم نماذج الشريط إلى 20 مليون مرة (200٪) أو أكثر. نماذج سطح العلاقات العامةكثافة العمليات بشكل جيد في 100٪ أو أكثر. ويمكن الاطلاع على المزيد من التفاصيل في الملحق 3.2.
    1. تحميل وتثبيت الطباعة البرنامج تشريح.
    2. استخدام ملف> استيراد نموذج وحدد ملف المحكمة الخاصة بلبنان إصلاح والموجهة.
    3. مقياس نموذج عن طريق النقر المزدوج على نموذج ودخول عامل التحجيم في الإطار على الجانب الأيمن من الشاشة.
    4. توليد هياكل الدعم لنموذج. حدد رمز دعم واستخدام الدعامات العادية، مع قرار عمود 1 وزاوية عبء الحد الأقصى من 50 درجة.
    5. انقر تولد كل الدعم. إضافة أو إزالة ميزات هيكل دعم لتخصيص دعم التوظيف.
    6. تحديد عملية وانقر على إعدادات تحرير العملية.
    7. تكوين ملف تعريف للطابعة والمواد المستخدمة.
      ملاحظة: يجب تضمين طوف وأسنانها، وينبغي أن تكون مطبوعة نماذج الشريط على 100٪ بدأت أعمال الحفر. يمكن العثور على إعدادات الملف الشخصي مفصلة في supplemeNT 3.2.
    8. تحويل نموذج في ملف مجموعة التعليمات البرمجية التي يمكن قراءتها من قبل الطابعة. انقر على "الاستعداد للطباعة" الزر وحدد عملية تحتوي على قائمة معلومات الطابعة / المواد. مراقبة مسار فوهة الطابعة وتفتيشها بحثا عن الأخطاء التي يمكن أن تسبب الطباعة إلى فشل.
      ملاحظة: الأخطاء التي يمكن أن تتسبب في الطباعة إلى فشل وتشمل عدم وجود الدعم تحت يتدلى، وتسوس الأسنان غير مرغوب فيها، والطبقات في عداد المفقودين، أو المناطق التي هي ضعيفة جدا لطباعة.
    9. حفظ الملف G رمز إلى سطح المكتب أو مباشرة إلى بطاقة SD.
  3. تشغيل الطابعة
    ملاحظة: كل طابعة تجعل أو نموذج فريد من نوعه، وسوف إعداده والمعايرة للطباعة تختلف وفقا لذلك. الرجوع إلى دليل للطابعة.
    1. تأكد من أن محطة العمل المتصل بالطابعة أو أن بطاقة الذاكرة الرقمية المؤمنة مع GCODE هي في الطابعة.
    2. إعداد الطابعة عن طريق تحميل خيوط وضمان أن السرير هو مستوى.للحصول على تعليمات حول هذه الإجراءات، والرجوع إلى دليل الطابعة.
    3. بدء الطباعة من الكمبيوتر أو محليا من بطاقة الذاكرة الرقمية المؤمنة عن طريق القائمة الطابعة.
    4. مشاهدة الطباعة حتى تم الانتهاء من الطبقة الأولى بنجاح. إذا كان هناك أي أخطاء في الطبقة الأولى، إجهاض وإعادة الطباعة.

4. مرحلة ما بعد الإنتاج تجهيز

ملاحظة: يجب توخي الحذر بالطبع في هذا، والنهائية، المرحلة. يجب إزالة الهياكل الداعمة على النموذج. ويتم ذلك عادة يدويا، على الرغم من النهج البديلة، مثل استخدام الدعم للذوبان، ويمكن استخدامها. رؤية ملحق 4.

  1. فصل الطباعة من لوحة البناء عن طريق سحب بلطف جانبية. إذا طوف تتمسك بقوة إلى لوحة البناء، تفصلها عن طريق إدراج حافة حادة بينهما.
  2. إزالة هياكل الدعم من الطراز. كثير من الدعم يمكن إزالتها عن طريق اليد، عن طريق كسر لهم الخروج من جزء وراقدم نماذج مرنة يمكن فصل بسحبها بعيدا عن الجزء. ليدعم التي يصعب الوصول إليها أو متصلا الهياكل الحساسة، واستخدام قطع كماشة للقص نقطة حيث يتصل الدعم إلى الجزء.

Representative Results

يمكن نماذج للطباعة 3D مستقرة وغنية بالمعلومات من الجزيئات الحيوية التي أعدها: (ط) سندات سماكة لتوفير الاستقرار، (ب) اختيار بعناية الثانوية نوع هيكل التمثيل أو النمط الذي من شأنه أن يوفر أكبر قدر من المعرفة والخبرة والاستقرار، (ج) طباعة جزيء حيوي في تمثيل الجزيئي أكثر من واحد، (د) باستخدام خيوط من شأنها أن تجعل كل أو جزء من جزيء حيوي مرن، أو (ضد) توليد التجمع معقد حدة (أي في القطع متصلة ببعضها البعض).

لتوضيح كيفية طباعة هذه النماذج الإعلامية ومستقرة، وركزنا على عناصر من لونين وعلى إنتاج النموذج الافتراضي من لونين. الكروماتين هو معقد للغاية تجميع البروتين الحمض النووي. الوحيدات البروتين الأساسية من لونين هو بروتين هيستون. هناك أربعة البروتينات هيستون، يتألف كل منها من الحلزون-loop حلزون (أ "أضعاف هيستون") تليها الحلزون ألفا الموسعة والثاني "أضعاف هيستون". بنية البروتين هيستون يمكن بسهولة أن يتم إنتاجها باستخدام "الشريط" تمثيل (الشكل 3A). بدلا من ذلك، يمكن عرض بنية البروتين هيستون فقط باستخدام سطحه (الشكل 3B). هناك نسختين من كل من البروتينات هيستون أربعة تتجمع لتشكيل octamer هيستون كروي. وoctamer هيستون كبير جدا لطباعة تماما كما وشاح أو عصا التمثيل، نظرا لنطاق أوسع في التي تحتاج إلى أن تكون مطبوعة هذه الميزات. وهكذا، يتم عرض مثل هذا التجمع بروتين كبير أفضل باستخدام تمثيل السطح (الشكل 3C). والحمض النووي رسم مسار حول octamer هيستون لتشكيل 10 نانومتر قطر الجسيمات الأساسية جسيم نووي. طريق الحمض النووي يمكن أن يكون أفضل عرض عن طريق طباعة نموذجين منفصلة وباستخدام خيوط مرنة لالحمض النووي (الشكل 3D). الجسيمات الأساسية النيوكليوسومات كومةعلى بعضها البعض لتشكيل الجمعية العليا، 30 نانومتر قطر "ألياف"، وهو هيكل suprahelical باليد اليسرى. لتوضيح أفضل السبل ل10 نانومتر الجسيمات الأساسية النيوكليوسومات قد كومة على تشكيل 30 نانومتر لونين التجمع، والطباعة فرد الجسيمات "دي-جسيم نووي" (الشكل 3E) ثم رصها بعد الطباعة (الشكل 3F).

مرة واحدة يتقن السطح وقذف الشريط سير العمل واحد المذكورة أعلاه، واستكشاف اتخاذ مجموعة من النماذج الذرية، الجزيئية، والمركبة، كما هو موضح في الشكل (4). على سبيل المثال، والجمع بين السطح والشريط تمثيل لضبط أجزاء مختلفة بعيدا من مجمع (انظر البلمرة DNA، الشكل 4B). جعل النماذج الأكثر تثقيفا وجذابة باستخدام طابعة البثق المزدوجة التي يمكن أن تذوب اثنين خيوط في وقت واحد إلى كائن 3D واحد (انظر الشكل 4C). بدلا من ذلك، أجزاء الطلاء من النماذج (انظر قوانالمعهد الوطني للإحصاء والحلزون ألفا، الشكل 4A). طباعة وتجميع مفارز من مجمع البروتين، مثل قناة الصوديوم، أو أعتبر أبعد من ذلك عن طريق طباعة أجزاء منفصلة من مجمع وتجميع لهم في وقت لاحق إلى ذلك، أكبر نموذج متعدد الألوان (انظر المجمعات بفيروس نقص المناعة البشرية الأجسام المضادة والريباسي، الشكل 4C). مثل هذه النماذج المركبة أكثر قدرة على إظهار ميزات وظيفية مقارنة بصمات خيوط واحد. يمكن ألوان مختلفة تسليط الضوء، على سبيل المثال، بالغليكوزيل مقابل البروتين (نموذج فيروس نقص المناعة البشرية) أو الحمض النووي الريبي مقابل البروتين (انظر نموذج الريبوسوم، الشكل 4C). أنها تسمح أيضا لإنشاء الألغاز 3D التعليمية، مثل الأجسام المضادة ملزمة على سطح فيروس نقص المناعة البشرية (انظر gp120 ملزمة الأجسام المضادة، الشكل 4C)، حيث التكوين 3D واحد فقط يعطي تناسب وثيق لهذين الجزئين. يمكن العثور على تعليمات حول طباعة هذه النماذج في الملحق 5. بالإضافة إلى ذلك، لقد قدمنا ​​فيديو التكميلي يدل على بناء نموذج 3D من اله فو / F1 بروتون سينسيز اعبي التنس المحترفين الذي طبع في القطع وتجميعها بطريقة بحيث يمكن تلخيص الآلية الدوارة التي تحدث خلال هذه الانزيمات آلية تحفيزية.

شكل 1
الشكل 1. سير العمل لإعداد وطباعة نموذج 3D. يتضح على مراحل في إنتاج المادية 3D الطباعة الجزيئية البيولوجية: (ط) من إعداد نموذج، بما في ذلك اختيار التمثيل. (ب) فتح ملف تنسيق stl حفظ النموذج ومعالجة الملف باستخدام برنامج تشريح. (ج) طباعة النموذج واختيار المواد أو خيوط. وأخيرا، (د) تنفيذ الخطوات مرحلة ما بعد الإنتاج.الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2. المرئيات من تمثيلات مختلفة من النماذج في مراحل مختلفة من الإعداد. الصف العلوي: تماثيل الشائعة للنموذجين (اليوبيكويتين (PDB 1UBQ) وأرجينين) تصور باستخدام برنامج الوهم. الصف الأوسط: إن toolpath الطباعة الناتجة عن نماذج المحكمة الخاصة بلبنان الوهم، ملونة من نوع سمة من سمات اليوبيكويتين وأرجينين (برتقالي: نمط بدأت أعمال الحفر، زرقاء داكنة: قذيفة الخارجي؛ الضوء الأزرق: الداخلية قذيفة). الصف السفلي: المطبوعات النهائية من اليوبيكويتين وأرجينين. السطحية واثنين من الشريط نماذج اليوبيكويتين طبعت في 300٪ من الناتج المحكمة الخاصة بلبنان الوهم الافتراضي (الوهم الافتراضي هو 1 نانومتر في نموذج و1 سم في الطباعة)، في حين أن نموذج أرجينين ثكما طبعت في 1000٪. الشريط الافتراضي أو عصا نماذج الوهم هي رقيقة جدا لطباعة بشكل صحيح، ولكن الإصدارات سميكة طباعة موثوق. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الرقم 3. دراسة حالة جسيم نووي. (A) أحادية هيستون بروتين H3 التي تقدمها سماكة "أشرطة" المطبوعة على 300٪. (ب) هيستون H3 بروتين "سطح" التمثيل، وطبع في 200٪. (C) بروتين هيستون octamer المطبوعة على 100٪. octamer (D) بروتين هيستون (البرتقال) في مجمع مع الحمض النووي مرن (أبيض) المطبوعة على 100٪. نموذج سطح (E) Dinucleosome المطبوعة مع دائرة نصف قطرها التحقيق الافتراضية وطباعتها في نطاق 100٪. (F) وممركز Odel من لونين "الألياف 30 نانومتر" التي أنشأتها التراص نماذج مطبوعة على حدة من dinucleosome "10 نانومتر"، حيث صدر السطح مع دائرة نصف قطرها التحقيق من 3 Å، وطبع في 50٪ و 25٪ الأحجام يدويا، وعقد جنبا إلى جنب مع اللعب دوه. تم إنشاء يطبع 3D من نموذج للdinucleosome (PDB 1ZBB). هي متاحة بحرية للتحميل في المعاهد الوطنية للصحة 3D تبادل طباعة 11 جميع الموديلات. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
أنتجت الشكل 4. أمثلة على نماذج مطبوعة 3D باستخدام الطابعات خيوط. (A) اليسار، وهذا نموذج الكرة والعصا من جزيئات الماء في بلورات الثلج سداسية (ثنائي خيوط الطباعة). الأوسط، ونموذج من النوكليوتيدات (جوانين). الحق، وهو بروتين ألفا ح ELIX العمود الفقري فقط نموذج تظهر روابط هيدروجينية (أسود). والملونة جوانين والحلزون ألفا يدويا مع sharpies. (ب) اليسار، قناة الصوديوم، مكونة من 4 وحدات فرعية يمكن وصلها معا (PDB 3E89). الوسط المتصورة المنجلية L-اللاكتات نازعة (PDB 1T2D) طباعة كما شرائط. الصحيح، ونموذج من الموقع النشط الحمض النووي بوليميريز (PDB 1KLN)، والتي تبين الحمض النووي كما السطح والبروتين وشرائط. (C) يسار، فيروس نقص المناعة البشرية المغلف الدهون مع بروتين سكري (PDB 5FUU) ملزمة الأجسام المضادة (PDB 1IGT)، وطبع في 15٪. الوسط التفاصيل من سطح مستضد بروتين سكري في 150٪، مع منطقة مختلفة من الأجسام المضادة كما هو موضح أشرطة (PDB 5FYJ). الحق، ونماذج من 70S الريبوسوم البكتيرية (PDB 4V5D) بنسبة 40٪ و 20٪. النسب تشير إلى الناتج الوهم القياسية، حيث تعني 100٪ 1 نانومتر في طباعة جزيء ك 1 مم. هي متاحة بحرية للتحميل في المعاهد الوطنية للصحة 3D تبادل طباعة 11 جميع الموديلات.OAD / 55427 / 55427fig4large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

نماذج 3D المادية من الجزيئات الحيوية توفر تكملة قوية لأساليب أكثر شيوعا القائم على الحاسوب التصور. خصائص إضافية للتمثيل 3D البدنية تسهم في فهم بديهية من هيكل الجزيئية البيولوجية. بناء نماذج 3D المادية من الجزيئات الحيوية يمكن أن تسهل دراستهم من خلال استخدام وسيلة أن يستفيد من وسائل متطورة من إحساس الإنسان. نماذج 3D تخدم ليس فقط كوسيلة مساعدة للباحث، ولكن يمكن استخدامها لتسهيل الأنشطة التربوية، ويمكن أن تزيد من تحقيق مخرجات التعلم 13 و 14 و 15. ويمكن أن يضاف المغناطيس لنماذج بلاستيكية للسماح التجميع والتفكيك، كما هو موضح مع نموذج من البروتينية 16. أيضا، والأشياء المطبوعة 3D يمكن استخدامها في الأبحاث، سواء في تصنيع معدات المختبرات 17، وكذلك لجعل microfluidic أجهزة لخلايا 18 ونماذج من بلورات 19 أو الخلايا العصبية 20. التلاعب النماذج المادية يمكن أن تكون لتعزيز المناقشات التعاونية التي يمكن أن يلهم أفكارا جديدة.

التطورات الأخيرة في تقنيات الطباعة 3D وتخفيضات في تكلفة الطابعات تمكن من خلق معقدة، ونماذج 3D المادية من الجزيئات الحيوية من قبل مستخدم فردي. على الرغم من أن تقنية الطباعة FFF هو أكثر شيوعا وأقل تكلفة من الطرق الأخرى، لأنها تنطوي على عدد من القيود. عملية الطباعة 3D هو مضيعة للوقت، ولم تحدث الأعطال الميكانيكية. طابعات FFF يمكن عادة فقط طباعة مادة واحدة لكل جزء، وتقييد عرض معلومات اللون. حل نماذج مصنوعة على طابعات FFF منخفضة، حوالي 100 ميكرون لكل طبقة. ونحن ننصح القارئ للعمل مع هذه القيود ووضع نهج للطابعة وجزيء حيوي (ق) من الفائدة. لقد قدمت صناعة تجالمؤسسات الصغيرة الحجم المطلوب للمستخدم لتطوير مخصص 3D تمثيل جزيء حيوي اهتمامهم أن دقيقة وغنية بالمعلومات، وطبع. كما هو الحال مع أي تكنولوجيا جديدة، غالبا ما تكون هناك "آلام النمو" التي يجب التغلب عليها أثناء استخدامه. ونحن نقدم العديد من الأمثلة حيث قد يكون واجه مشاكل في عملية الجزيئات الحيوية 3D الطباعة (انظر الملحق 6).

وأخيرا، من خلال هذه المقالة، هو هدفنا المساهمة في نمو المجتمع من المستخدمين تعمل في مجال الطباعة 3D من الجزيئات الحيوية. الأهم من ذلك، أنشأت المعاهد الوطنية للصحة قاعدة بيانات للجمهور للمشاركة 3D نماذج وأساليب استخدامها لطباعتها 10. ونحن نشجع بقوة مشاركة في هذا المورد الفريد (انظر ملحق 7 للحصول على تعليمات حول كيفية تحميل طباعة نموذج 3D ومعلومات أساسية لالمعاهد الوطنية للصحة 3D تبادل طباعة).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Filament
PLA 3D Printing Filament (1.0 kg Roll) Quantum3D Printing http://quantum3dprinting.com/ Very good quality PLA filament, strongly recomended
NinjaFlex Flexible 3D Printing Filament Ninjatek https://ninjatek.com/ High quality flexible filament
PLA Filaments PrimaValue & PrimaSelect 3DPrima http://3dprima.com/ High quality European supplier of filament
Printers
Prusa I3 MK2 3D Printer Prusa Research http://www.prusa3d.com/ A popular 3D printer
MakerGear M2 Revision E (M2e) MakerGear http://www.makergear.com/ Closed source, very high quality printer
Ultimaker 2 Ultimaker https://ultimaker.com/ Very reliable, easy to use printer, highest rating on 3Dhubs.com
Flashforge Creator Pro Flashforge http://www.flashforge-usa.com Reliable, dual extrusion printer, highest rating on 3Dhubs.com
Software
Simplify3D Slicer Simplify3D https://www.simplify3d.com/ Excellent slicing software
Netfabb Autodesk http://www.autodesk.com/education/free-software/netfabb Mesh repair software, available free of cost for educational purposes
Chimera University of California, San Francisco https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/ Chimera molecular vizualizer
Meshmixer Autodesk http://www.meshmixer.com/ Used for orienting models, but has other features

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

الهندسة، العدد 121، 3D الطباعة، والبيولوجيا الجزيئية، والتعليم، وهيكل، والجزيئات الحيوية، ونماذج والطابعات قذف
3D طباعة نماذج الجزيئية البيولوجية للبحوث والتربية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Da Veiga Beltrame, E.,… More

Da Veiga Beltrame, E., Tyrwhitt-Drake, J., Roy, I., Shalaby, R., Suckale, J., Pomeranz Krummel, D. 3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy. J. Vis. Exp. (121), e55427, doi:10.3791/55427 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter