Physical models of biomolecules can facilitate an understanding of their structure-function for the researcher, aid in communication between researchers, and serve as an educational tool in pedagogical endeavors. Here, we provide detailed guidance for the 3D printing of accurate models of biomolecules using fused filament fabrication desktop 3D printers.
The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D structures are most often perceived using the two-dimensional and exclusively visual medium of the computer screen. Converting digital 3D molecular data into real objects enables information to be perceived through an expanded range of human senses, including direct stereoscopic vision, touch, and interaction. Such tangible models facilitate new insights, enable hypothesis testing, and serve as psychological or sensory anchors for conceptual information about the functions of biomolecules. Recent advances in consumer 3D printing technology enable, for the first time, the cost-effective fabrication of high-quality and scientifically accurate models of biomolecules in a variety of molecular representations. However, the optimization of the virtual model and its printing parameters is difficult and time consuming without detailed guidance. Here, we provide a guide on the digital design and physical fabrication of biomolecule models for research and pedagogy using open source or low-cost software and low-cost 3D printers that use fused filament fabrication technology.
En grundig forståelse av funksjonen og aktiviteten til et biomolekyl krever bestemmelse av den tre-dimensjonale (3D) struktur. Dette oppnås rutinemessig ved hjelp av røntgen-krystallografi, NMR, eller elektronmikroskopi. 3D-strukturer kan forstås gjennom persepsjon av modeller, eller nøyaktige gjenstander som ligner de strukturene som de representerer en. Historisk bygging av fysiske 3D-modeller var nødvendig for etterforskere å validere, utforske og kommunisere de resulterende hypoteser om funksjon av biomolekyler. Disse modellene, som Watson-Crick DNA dobbeltspiralen og Pauling alfa heliks, gitt unik innsikt i struktur-funksjon relasjoner og var sentral i vår tidlig forståelse av nukleinsyre og protein struktur-funksjon 2, 3, 4. Selv komplekse protein og nukleinsyre modeller kan opprettes, dentid og kostnadene ved å bygge en fysisk modell ble til slutt oppveies av relativ enkel dataassistert molekylær visualisering.
Utviklingen av 3D-trykking, også kjent som tilsetningsmiddel produksjon, har igjen gjort det mulig konstruksjon av fysiske modeller av biomolekyler 5. 3D-utskrift er prosessen for fremstilling av en fysisk, 3D-objekt fra en digital fil ved sekvensiell tilsetning av lag av et materiale (r). En rekke mekanismer er benyttet i denne prosessen. Inntil nylig, maskiner som brukes for å fremstille fysiske modeller av biomolekyler var for dyre til å bli mye brukt. Men i det siste tiåret, 3D-utskrift teknologi, smeltet filament fabrikasjon (FFF) i særdeleshet, har avansert betydelig, noe som gjør den tilgjengelig for privat bruk 6. FFF skrivere er nå allment tilgjengelig i videregående skoler, biblioteker, universiteter og laboratorier. Jo større kostnader og tilgjengelighet av 3D-utskrift teknologihar gjort det mulig å konvertere digitale 3D biomolekylære modeller i nøyaktige, fysiske 3D biomolekylære modeller 7, 8, 9. Slike modeller omfatter ikke bare enkle fremstillinger av enkelt biomolekyler, men også komplekse makromolekylære sammenstillinger, slik som ribosom og virus kapsidbindende strukturer. Men prosessen med å skrive individuelle biomolekyler og makromolekylære forsamlinger gir flere utfordringer, spesielt når du bruker termopressmetoder. Spesielt representasjoner av biomolekyler har ofte komplekse geometrier som er vanskelig for skrivere til å produsere og lage og behandle digitale modeller som vil skrive ut med hell krever dyktighet med molekylær modellering, 3D-modellering og 3D-skriverprogramvaren.
3D-arbeidsflyt for å skrive ut en biomolekyl bredt skjer i fire trinn: (1) forbereder en biomolekylære modell fra sin koordinere fil for 3D-utskrift;(2) å importere biomolekylære modellen til en "slicing" programvare for å segmentere modellen for skriveren og til å generere en støttestruktur som vil fysisk støtte opp biomolekylære modell; (3) å velge riktig filament og skrive ut 3D-modellen; og (4) post-produksjon bearbeidelsestrinn, inkludert fjerning av støttemateriale fra modellen (figur 1 og 2). Det første trinnet i denne prosessen, beregningsmessig manipulering koordinatsystemet fil av biomolekyl, er kritisk. På dette stadiet, kan brukeren bygge modell forsterkninger i form av struts, samt fjerne strukturer som er overflødig til hva brukeren velger å vise. Dessuten er valget av representasjonen gjort på dette stadium: om å vise alle eller deler av biomolekyl som en overflaterepresentasjon, bånd og / eller de enkelte atomer. Når de nødvendige tillegg og / eller subtractions innhold er gjort og representasjon er valgt, er strukturen lagres som en 3D-model fil. Deretter blir filen åpnet i et annet program for å konvertere modellen til en 3D print fil som kan skrives ut, lag på lag, i en plast kopi av biomolekyl.
Målet med vår protokollen er å gjøre produksjon av molekylære modeller tilgjengelig for et stort antall brukere som har tilgang til FFF skrivere, men ikke til dyrere 3D utskrift teknologier. Her gir vi en guide for 3D-utskrift av biomolekyler fra 3D molekylære data, med metoder som er optimalisert for FFF utskrift. Vi detalj hvordan å maksimere trykkbarhet av komplekse biomolekylære strukturer og sikre enkel etterbehandling av fysiske modeller. Egenskapene til flere vanlige utskriftsmaterialer eller filamenter sammenlignes, og anbefalinger om deres bruk for å skape fleksible utskrifter er gitt. Til slutt, presentere vi en rekke eksempler på 3D-trykt biomolekylære modeller som viser bruk av ulike molekylære representasjoner.
Fysiske 3D-modeller av biomolekyler gi et kraftig supplement til mer vanlige databaserte metoder for visualisering. De ytterligere egenskaper ved en fysisk representasjon 3D bidrar til intuitiv forståelse av biomolekylære struktur. Byggingen av fysiske 3D-modeller av biomolekyler kan lette deres studie gjennom bruk av et medium som tar nytte av godt utviklede moduser av menneskelig følelse. 3D-modeller fungerer ikke bare som et hjelpemiddel til forskeren, men kan brukes til å legge til rette for pedagogisk arbeid og kan øke oppnåelse av læringsutbytte 13, 14, 15. Magneter kan tilsettes til plastmodeller for å tillate montering og demontering, slik som vist med en modell av polypeptider 16. Dessuten kan 3D-objekter trykt anvendes i forskning både i produksjonen av laboratorieutstyr 17, så vel som å gjøre microfluidic enheter for celler 18 og modeller av krystaller 19 eller nevroner 20. Manipulering av fysiske modeller kan tjene til å fremme samarbeids diskusjoner som kan inspirere nye innsikter.
Den siste utviklingen i 3D-utskrift teknologier og reduksjon i kostnadene for skrivere muliggjør etablering av komplekse, fysiske 3D-modeller av biomolekyler av en enkelt bruker. Selv om FFF trykking teknologien er mer vanlig og mindre kostbare enn andre metoder, utgjør det en rekke begrensninger. 3D-utskrift prosessen er tidkrevende, og forekommer mekaniske feil. FFF skrivere kan vanligvis bare skrive ut ett materiale per del, begrense visningen av fargeinformasjon. Oppløsningen på modeller laget på FFF skrivere er lav, rundt 100 mikrometer per lag. Vi anbefaler leseren til å arbeide med disse begrensninger og for å utvikle en metode for deres skriver og biomolekyl (er) av interesse. Vi har presentert processes som kreves for en bruker å utvikle en tilpasset 3D-representasjon av deres biomolekyl av interesse som er riktig, informativ og skrives ut. Som med all ny teknologi, er det ofte "voksesmerter" som må overvinnes i løpet av bruken sin. Vi gir flere eksempler hvor problemer kan oppstå i prosessen med 3D-utskrift biomolekyler (se vedlegg 6).
Til slutt, gjennom denne artikkelen, er det vårt mål å bidra til utviklingen av et fellesskap av brukere engasjert i 3D-utskrift av biomolekyler. Viktigere, har NIH etablert en database for publikum å dele 3D-modeller og metoder som brukes til å skrive dem 10. Vi vil sterkt oppfordre til deltakelse i denne unike ressursen (se vedlegg 7 for instruksjoner om hvordan du laster opp en 3D-modell print og bakgrunnsinformasjon til NIH 3D Print Exchange).
The authors have nothing to disclose.
The authors are grateful for the support of Deis3D, the Brandeis 3D Printing Club, and members of Brandeis Library/LTS/Makerlab. This work was funded in part by a grant awarded to Pomeranz Krummel by the NSF, Award No. 1157892; an ESIT grant of the BMBF, awarded to the University of Tübingen; and US Federal funds from the National Institutes of Health, Department of Health and Human Services, under Contract No. GS35F0373X. Molecular graphics and analyses were performed with the UCSF Chimera package. Chimera was developed by the Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics at the University of California, San Francisco (supported by NIGMS P41-GM103311).
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 |