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 grundlig förståelse av funktion och aktivitet av en biomolekyl kräver fastställandet av dess tredimensionella (3D) struktur. Detta rutinmässigt uppnås med användning av röntgenkristallografi, NMR eller elektronmikroskopi. 3D-strukturer kan förstås genom uppfattningen av modeller, eller exakta föremål som liknar de strukturer som de företräder en. Historiskt sett var nödvändigt att bygga fysiska 3D-modeller för utredarna att validera, utforska och kommunicera de erhållna hypoteser om funktion av biomolekyler. Dessa modeller, såsom Watson-Crick DNA dubbel spiral och Pauling alpha helix, förutsatt unik inblick i struktur-funktionssamband och var avgörande för vår tidiga förståelse av nukleinsyra och proteinstruktur-funktion 2, 3, 4. Även kan skapas komplexa protein och nukleinsyra modeller,tid och kostnaden för att bygga en fysisk modell slutligen uppvägs av den relativa lätthet av datorstödd molekylär visualisering.
Utvecklingen av 3D-utskrifter, även känd som additiv tillverkning, har återigen gjort det möjligt att bygga fysiska modeller av biomolekyler 5. 3D-utskrift är en process för tillverkning av en fysisk, 3D-objekt från en digital fil genom sekventiell tillsättning av skikt av ett material (s). En mängd olika mekanismer används i denna process. Tills nyligen, de maskiner som används för att producera fysiska modeller av biomolekyler var för dyra för att i stor utsträckning. Men under det senaste decenniet, 3D-utskriftsteknik, smält glöd tillverkning (FFF) i synnerhet, har ökat betydligt, vilket gör den tillgänglig för konsumentbruk 6. FFF-skrivare är nu allmänt tillgängliga i höga skolor, bibliotek, universitet och laboratorier. Ju större överkomliga och tillgänglighet 3D tryckteknikhar gjort det möjligt att konvertera digitala 3D biomolekylära modeller i exakta, fysikaliska 3D biomolekylära modeller 7, 8, 9. Sådana modeller inkluderar inte bara enkla representationer av enskilda biomolekyler, men också komplexa makromolekylära aggregat, såsom ribosom och virus kapsid strukturer. Men processen för att skriva ut enskilda biomolekyler och makromolekylära aggregat innebär flera utmaningar, särskilt när man använder termoplastiska extrudering metoder. I synnerhet representationer av biomolekyler har ofta komplexa geometrier som är svåra för skrivare för att producera, och skapa och bearbeta digitala modeller som skrivs ut framgångsrikt kräver skicklighet med molekylär modellering, 3D-modellering och 3D-program skrivare.
3D-arbetsflöde för utskrift av en biomolekyl i stort sett sker i fyra steg: (1) framställning av en biomolekylär modell från koordinat fil för 3D-utskrifter;(2) att importera biomolekylär modellen till en programvara "skivas" att segmentera modell för skrivaren och för att generera en stödstruktur som fysiskt kommer att stötta upp biomolekylär modellen; (3) att välja rätt filament och skriva ut 3D-modellen; och (4) efterproduktion processteg, inklusive att ta bort stödmaterial från modellen (figur 1 och 2). Det första steget i denna process, beräknings manipulera koordinatfilen för biomolekylen, är kritisk. I detta skede kan användaren bygga modell förstärkningar i form av stöttor, liksom avlägsna strukturer som är ovidkommande vad användaren väljer att visa. Dessutom är valet av representation i detta skede: om att visa hela eller delar av biomolekylen som en yta representation, band, och / eller enskilda atomer. När de nödvändiga tillägg och / eller subtraktioner av innehåll görs och representation väljs strukturen sparas som en 3D-model-fil. Därefter filen öppnas i ett andra program för att konvertera modellen till en 3D-utskriftsfil som kan skrivas ut, lager för lager, i en plast kopia av biomolekyler.
Målet med våra protokoll är att tillverkningen av molekylmodeller tillgängliga för ett stort antal användare som har tillgång till FFF skrivare men inte dyrare 3D trycktekniker. Här ger vi en guide för 3D-utskrifter av biomolekyler från 3D molekylära data, med metoder som är optimerade för FFF utskrift. Vi detalj hur man kan maximera tryckbarhet komplexa biomolekylära strukturer och säkerställa enkel efterbearbetning av fysikaliska modeller. Egenskaperna hos flera vanliga utskriftsmaterial eller trådar jämförs, och rekommendationer för deras användning för att skapa flexibla utskrifter tillhandahålls. Slutligen, visa vi en rad exempel på 3D-tryckta biomolekylära modeller som visar användningen av olika molekylära representationer.
Fysiska 3D-modeller av biomolekyler ger ett kraftfullt komplement till mer vanliga datorbaserade metoder för visualisering. De ytterligare egenskaperna hos en fysisk 3D-representation bidra till den intuitiva förståelsen av biomolekylär struktur. Konstruktionen av fysiska 3D-modeller av biomolekyler kan underlätta deras studie genom användning av ett medium som drar nytta av väl utvecklade former av mänsklig förnimmelse. 3D-modeller fungerar inte bara som en hjälp till forskare, men kan användas för att underlätta pedagogisk verksamhet och kan öka uppnåendet av läranderesultat 13, 14, 15. Magneter kan läggas till plastmodeller för att möjliggöra montering och demontering, som visas med en modell av polypeptider 16. Dessutom kan 3D-tryckta föremål användas i forskning, både i tillverkningen av labbutrustning 17, såväl som för att göra microfluidic anordningar för celler 18 och modeller av kristaller 19 eller nervceller 20. Manipulationen av fysikaliska modeller kan bidra till att främja samarbets diskussioner som kan inspirera till nya insikter.
Den senaste utvecklingen i 3D-teknik och minskade tryck i kostnaden för skrivare gör det möjligt att skapa komplexa, fysiska 3D-modeller av biomolekyler av en enskild användare. Även FFF utskriftsteknik är vanligare och billigare än andra metoder, innebär det ett antal begränsningar. Tryckprocessen 3D är tidskrävande, och mekaniska fel förekommer. FFF-skrivare kan oftast bara skriva ut ett material per del, begränsa visningen av färginformation. Upplösningen på modeller tillverkade på FFF skrivare är låg, cirka 100 pm per skikt. Vi rekommenderar läsaren att arbeta med dessa begränsningar och att utveckla en strategi för sin skrivare och biomolekyler (s) av intresse. Vi har presenterat förfaSSES som krävs för en användare att utveckla en egen 3D-representation av deras intressanta biomolekylen som är korrekt, informativ, och utskrivbara. Som med all ny teknik, finns det ofta "växtvärk" som måste övervinnas under dess användning. Vi ger flera exempel där problem kan uppstå i processen för 3D-utskrifter biomolekyler (se tillägg 6).
Slutligen, genom den här artikeln, är det vårt mål att bidra till framväxten av en gemenskap av användare som deltar i 3D-utskrifter av biomolekyler. Viktigt har NIH etablerat en databas för allmänheten att dela 3D-modeller och de metoder som används för att skriva ut dem 10. Vi rekommenderar att delta i denna unika resurs (se tillägg 7 för instruktioner om hur du laddar upp en 3D-modell print och bakgrundsinformation till 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 |