연구 및 교육학에 대한 생명 모델의 3D 인쇄

Published 3/13/2017
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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).

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Abstract

Introduction

기능 및 생리 활성 물질의 활성의 완전한 이해는 3 차원 구조의 결정을 필요로한다. 이는 통상적으로 X 선 결정학, NMR, 또는 전자 현미경을 사용하여 달성된다. 3 차원 구조가 1을 나타내는 구조를 닮은 모델과 정확한 또는 객체 인식을 통해 알 수있다. 연구자가 검증 탐구 및 생체 분자의 기능에 대한 결과 가설을 의사 소통을 위해 역사적으로, 실제 3D 모델의 구축이 필요했다. 예컨대 왓슨 - 크릭의 DNA 이중 나선과 폴링의 알파 헬릭스, 이러한 모델은 구조 - 기능 관계에 고유 한 통찰력을 제공하는 핵산 및 단백질 구조 기능 2, 3, 4의 우리 빠른 이해 선회 하였다. 복합 단백질 및 핵산 모델을 생성 할 수 있지만,시간과 실제 모델 구축의 비용을 최종적으로 컴퓨터를 이용한 분자 시각화의 상대적 용이성 능가 하였다.

또한 첨가제 제조 알려진 3D 인쇄의 개발은, 생체 분자 (5)의 물리 모델 구조를 다시 사용할 수있다. 3D 인쇄 재료 (들)의 층의 순차 첨가를 통해 디지털 파일의 실제 3 차원 물체를 제조하는 공정이다. 다양한 메커니즘이 과정에 사용된다. 최근까지, 생체 분자의 물리 모델을 생성하는 데 사용되는 컴퓨터는 널리 사용하기에는 너무 비싸다. 그러나, 지난 10 년 3 차원 프린팅 기술은 용융 필라멘트 제조 (FFF)는 특히 민생 6가 액세스 할 수 있도록 현저하게 진보되었다. FFF 프린터는 이제 높은 학교, 도서관, 대학, 연구소에서 일반적으로 사용할 수 있습니다. 3D 프린팅 기술의 큰 경제성과 접근성가능 정확한 실제 3D 생체 분자 모델 7, 8, 9로 디지털 생체 분자 3D 모델로 변환했다. 이러한 모델은 단일 생체 분자의 간단한 표현뿐만 아니라, 리보솜 및 바이러스 캡시드 구조와 같은 복잡한 거대 분자 어셈블리뿐만 아니라 포함되어 있습니다. 열가소성 압출 방법을 사용하여 특히 그러나, 개별 생체 분자 및 거대 분자 어셈블리를 인쇄하는 공정은 여러 과제를 제기. 특히, 생체 분자의 표현은 종종 프린터를 생산하기 어려운, 생성 및 성공적으로 인쇄 분자 모델링, 3D 모델링 및 3D 프린터 소프트웨어와 기술이 필요합니다 디지털 모델을 처리하는 복잡한 형상을 가지고있다.

널리 생체 분자를 인쇄하는 3D 워크 플로우의 네 단계에서 발생한다 : (1) 3D 인쇄에 대한 좌표 파일에서 생체 분자 모델을 준비하는 단계;(2) 모델 프린터와 물리적으로 생체 분자 모델을 지탱하는지지 구조를 생성하는 세그먼트에 "슬라이스"소프트웨어에 생체 분자 모델을 가져 오기; (3) 적절한 필라멘트를 선택하고, 3 차원 모형을 인쇄; (4) 모델의지지 재료를 제거하는 단계를 더 포함하는 포스트 - 프로덕션 처리 단계 (도 1, 2). 계산적으로, 생체 분자의 좌표 파일 조작이 프로세스의 제 1 단계는 매우 중요하다. 이 단계에서, 사용자는 스트럿 형태의 모델을 구축 증강뿐만 아니라, 사용자가 선택 표시하는 것과 외부 구조물을 제거 할 수있다. 또한, 표시의 선택이 단계에서 이루어진다 : 표면 표현, 리본 및 / 또는 개별 원자로서 생체 분자의 전부 또는 일부를 표시 할 것인지. 필요한 추가 및 / 또는 콘텐츠의 감산이 이루어지는 상기 표시가 선택되면, 구조는 3 차원 MO로 저장된델 파일. 다음으로, 파일은, 생체 분자의 플라스틱 복제본으로, 층에 의해 3D 인쇄 출력 할 수있는 파일의 레이어로 모델을 변환하는 제 2 소프트웨어 프로그램에서 개방된다.

우리 프로토콜의 목적은 FFF 프린터에 액세스 할 수 있지만 더 비싼 3D 인쇄 기술 한 사용자의 많은 수의 분자 모델의 제조에 이용할 수있게하는 것이다. 여기서는 FFF 인쇄를 위해 최적화 된 방식으로, 3D 데이터로부터 생체 분자의 3D 인쇄하기위한 가이드를 제공한다. 복잡한 생체 분자 구조의 인쇄 적성을 극대화하고 물리 모델의 간단한 사후 처리를 보장하는 방법을 우리는 세부 사항. 몇 가지 일반적인 인쇄 자료 또는 필라멘트의 특성을 비교하고, 그 사용에 대한 권장 사항은 유연한 인쇄가 제공됩니다 만들 수 있습니다. 마지막으로, 다른 분자 표현의 사용을 보여 3D 인쇄 생체 분자 모델의 일련의 예를 보여.

Protocol

1. 인쇄를위한 3D 모델 파일 준비하기

주 : (1) 온라인 NIH 3D 인쇄 환 (10)의 자동화 된 도구를 사용하거나, (2) 국소 분자 모델링 소프트웨어를 사용하여 다음 생체 분자의 3D 모델 파일은 두 가지 방법을 통해 생성 될 수있다. 자동으로 생성 된 모델은 인쇄 표현을 ​​생성하기 위해 프로토콜에 설명 된 과정을 사용하지만, 표기의 정보는 사용자에 의해 선택 될 수 없다. 대조적으로, 사용자 모델 생성을 생체 분자의 시각적 속성을 통해 사용자가 제어 할 수있다. 개별 원자, 잔류 물, 채권이 표시, 리본, 채권의 규모 및 스트럿을 지정할 수 있습니다 할 수 있습니다. 국립 보건원 3D 인쇄 교환 자동화 된 도구 모두 아래의 프로토콜은 UCSF 키메라, 생체 분자의 3D 파일을 내보내기에 적합 무료 및 오픈 소스 분자 모델링 소프트웨어 패키지 (11)를 사용합니다. 대한 키메라 사용 옹스트롬 보낸 모든 3D 파일거리 단위. 이 파일은 1mm / 거리 단위에서 슬라이스 소프트웨어로 가져올 때, 모델은 1000 만 배의 배율로 조정됩니다.

  1. 자동 NIH 3D 인쇄 거래소와 3D 인쇄 모델을 생성
    참고 : NIH 3D 인쇄 Exchange는 단계 1.2-1.3에 설명 된 단계와 유사하다 키메라 스크립트를 실행합니다.
    1. 데이타베이스 중 하나 PDB, EMDB, 또는 PubChem (보충 1.1)에서 인쇄하는 생체 분자 구조의 분자 데이터 파일을 찾습니다. 관심있는 생체 분자의 가입 번호를 기록한다.
    2. 처음 사용하는 경우, (3dprint.nih.gov)에 NIH 3D 인쇄 Exchange로 이동하여 새 사용자 계정을 만들 수 있습니다.
    3. , "빠른 제출"기능으로 이동 생체 분자 가입 코드를 입력하고 제출을 클릭합니다.
    4. 생체 분자의 모델을 생성 한 후, 모델 페이지로 이동 리본 "의 생체 분자 STL 파일을 다운로드"또는"표면 "표현입니다. 프로토콜의 섹션 2로 진행합니다.
  2. UCSF 키메라와 사용자 정의 분자 모델을 생성
    참고 : 여러 단계의 명령 줄 등가물을 포함하여 3D 모델을 만들기위한 키메라를 사용하는 방법에 대한보다 상세하게는, 보충 1.2에서 찾을 수 있습니다.
    1. 다운로드 UCSF 키메라를 설치 (https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html).
    2. 키메라를 사용하여 다음 중 하나를 수행하여 분자 데이터 파일을 검색 :
      1. 도구 모음 명령 파일을 사용하여>, ID로 가져 오기 데이터베이스에서 파일을 직접 검색하는 Pubchem, PDB, 또는 EMDB의 가입 코드를 입력합니다.
      2. 도구 모음 명령 파일을 사용하여> 열기는 지방 분자 데이터 파일을 검색; 기본적으로 분자는 ligan 5 Å 내에서 단백질과 핵산, 원자 리본과 결합 리간드, 그리고 잔류를 표시합니다디.
      3. 즐겨 찾기로 이동하여 액세스 할 수있는 키메라 명령 줄을 사용> 명령 줄 열기 명령을 사용하여 가입 코드를 입력합니다.
  3. 생체 분자의 3 차원 인쇄 가능한 표현을 준비
    참고 : 생체 분자 구조가 표시되거나 표시 될 수있는 여러 가지 방법이 있습니다. 인쇄 특정 표현의 선택은 가장 생체 분자 구조 기능에 큰 통찰력을 제공하는 방법에 기초해야한다. 일반적 표현은 "리본", "표면"및 "원자 / 결합을 포함하는 사용." 그러나, 선택 측쇄 또는 리간드를 표시하는 이러한 표현의 조합을 사용하여 탐색하는 것이 최상이다. 또한, 상기 3 차원 프린팅 구조는 프린트 할 정도로 튼튼해야하며, 처리시 분해하지. 표현을 선택 또는 측쇄를 표시 할 때 따라서이를 고려하는 것이 중요하다. 루게릭 병오지지 구조, 또는 도입 고려 "스트럿을." 모델을 인쇄 할 때 모든 기능이 제대로 인쇄되도록 마지막으로, 그것을 확장 할 중요 할 것이다. 따라서, 더 큰 생체 분자를 들어, 리본 또는 원자 표현에 전적으로 인쇄 인해이 인쇄 될 필요가있는 규모로 가능하지 않을 수 있습니다.
    1. "리본"의 3 차원 인쇄 가능한 표현을 생성
      참고 : 자세한 세부 사항은 보충 1.2.1에서 찾을 수 있습니다.
      1. 선택> 구조> 용매를 사용하여, 이온을 포함하는 표시 "용매"를 선택합니다.
      2. > 숨기기 작업> 원자 / 본즈를 사용하여 선택 "용매"를깁니다.
      3. 성공적으로 인쇄 될 수 있도록 리본의 직경을 두껍게. 도구> 묘사에서 리본 스타일 편집기 메뉴를 사용합니다.
        참고 : 스와초기 시도에 대한 매개 변수를 ggested : 스케일링 탭에서, 적어도 0.7의 모든 항목 및 적어도 다음 각 설정의 폭의 높이 변경 : 코일 0.7; 헬릭스 1.4; 시트 : 1.4; 화살표 (베이스) : 2.1; 화살표 (팁) 0.7; 1.0 핵산.
      4. 핵산이 존재한다면, 작업> 원자 / 채권> 염기 사물> 설정 기본 표현을 변경. 사다리 설탕 / 기본 디스플레이와 0.6 렁 반경을 변경합니다.
      5. 옵션 : 지원 구조를 소개 1.3.3 단계로 진행합니다.
    2. 분자의 3 차원 인쇄 "면"표현을 생성
      참고 : 자세한 세부 사항은 보충 1.2.2에서 찾을 수 있습니다.
      1. 이전의 모든 표현을 숨 깁니다. 작업> 원자 / 채권> 숨기기 및 조치를 사용> 리본>숨는 장소.
      2. 분야로 원자를 렌더링 할 때, 메뉴 검사> 원하는 원자 (들)을 선택하고 작업로 이동하여 반경을 조정합니다.
        참고 : 기본 원자 반경을 변경하면 쉽게 인쇄 된 모델에서 다른 원자 유형을 구별 할 수 있습니다.
      3. 어떤 작업> 원자 / 채권> 숨기기 작업> 리본> 숨기기를 사용하여 리본, 원자, 채권 및 pseudobonds을 표시 숨 깁니다.
      4. 표면 세부 원하면 표면 계산이 더 정확도록 수소 원자를 추가한다. 사용 도구> 구조 편집> ADDH.
      5. 명령 줄에서 서핑 # 0 표 0.5을 입력하여 표면을 생성합니다.
    3. 의 3 차원 인쇄 표현 생성 "원자 / 채권을."
      참고 : 자세한 세부 사항은 보충 1.2.3에서 찾을 수 있습니다.
      1. 용매를 숨 깁니다. 용도> 구조> 다음 용매작업> 원자 / 채권> 숨기기를 선택합니다.
      2. 선택하고 작업> 원자 / 본즈> 쇼를 보여줌으로써 특정 잔류 물 및 / 또는 원자와 같은 표현에서 리간드와 결합을 표시합니다. 원자 표현하는 방법은 스틱, 공 및 스틱, 또는 영역을 선택하여 작업> 원자 / 채권 드롭 다운 메뉴에서 변경할 수 있습니다.
      3. 메뉴를 검사> 선택을 한 후, 스틱이나 볼의 반경을 증가하고 액션으로 표현 스틱.
      4. 옵션 : 지원 구조를 소개 1.3.4 단계로 진행합니다.
  4. 3 차원 인쇄 할 표현으로 구조 지원 추가
    참고 : 자세한 세부 사항은 보충 1.2.4과 1.2.5에서 찾을 수 있습니다. 이 단계에서, 지주는 3 차원 모형에 부가 할 수있다. 작은 단백질 (즉, 50 미만 잔류는) 종종 일반적인 두께의 리본으로 표현되며, 이러한 지원없이 잘 인쇄 할 수 있지만 그것은, 안정성을위한 백본 수소 결합을 포함하는 알파 - 나선 및 베타 - 시트 보조 구조하는 것이 좋습니다. 그러나, 더 큰 단백질도 수소 결합의 첨가와 함께, 많은 리본 모델은 아직 성공적으로 인쇄 될 매우 섬세한. Struts는 어떤 분자 특성을 반영하지만, 따라서 인쇄를 용이하게하고 처리, 기계적 강도에 추가하지 않는 모델 내에서의 물리적 연결입니다. 키메라는 자동으로 명령 줄을 통해 스트럿 명령으로 모델에 스트럿을 추가하는 빠른 방법을 제공하며, 개별 지주는 수 수동으로 거리 도구를 사용하여 표시 할 수 있습니다.
    1. 건장한 인쇄를 준비하는 수소 결합을 표시합니다. 메뉴의 도구> 구조 분석> FindHBond를 사용합니다.
    2. 사용 도구> 일반 계속rols> PseudoBond 패널은 수소 결합을 수정합니다. 은 "수소 결합"pseudobonds을 선택하고 속성 버튼을 클릭하고 "구성 요소 PseudoBond 속성"상자를 선택합니다. 하단 패널에 부착하는 와이어에서 본드 스타일과 0.6-0.2에서 반경 값을 변경합니다.
    3. 옵션 : 지원 구조 (들), 또는 스트럿 명령을 사용하여 "스트럿"를 추가합니다. 명령을 사용 떨어져 더 이상 8 Å보다 모든 70 잔류 탄소 알파의 1.0 Å의 반경 블루 스트럿을 생성하지하려면 : 1.0 fattenRibbon 거짓 @ca 길이 8 루프 (70) 색상 블루 방사선을 스트럿.
    4. 옵션 : [거리 도구를 사용하여 개별 지주를 만드는 그들, 사용 도구> 구조 분석> 거리의 각 시프트 Ctrl 키를 클릭하여 두 개의 원자를 선택하고 pseudobond를 추가 생성을 클릭합니다. NavigatPseudoBond 패널에 전자는은 "거리 모니터"pseudobonds를 선택하고 속성 버튼을 클릭하고 "구성 요소 PseudoBond 속성"상자를 선택합니다. 하단 패널에 부착하는 와이어에서 본드 스타일과 0.01-0.2에서 반경 값을 변경합니다.
    5. STL과 3D 모델 파일로 키메라 렌더링 내보내기
      1. 원하는 표현을 얻을되면, 사용 파일> 내보내기 장면은 3D 파일을 내 보냅니다. 파일 유형 및 이름으로 STL을 선택하고 모델을 저장합니다. 주 : 프로토콜 (2)에 기재 한 바와 같이 STL 파일은 복구 배향 및 인쇄 될 수있다.

인쇄 2. 프로세스 STL의 파일

  1. 오토 데스크 Netfabb와 수리 STL 파일
    참고 :이 INTE 여러 중복되는 부분을 포함하면 모델은 수리가 필요할 수 있습니다일반적으로 리본 모델과 원자 모델의 경우 형상을 rsecting. 교차 영역이 모델의 외부로 해석 될 수있는 파일이 일부 슬라이싱 소프트웨어에 의해 판독 될 때 형상 겹치는 것은 오차가 발생할 수있다. 자세한 세부 사항은 보충 2.1에서 찾을 수 있습니다.
    1. 다운로드 및 소프트웨어의 표준 버전을 설치합니다.
    2. STL과 파일을 프로그램을 열고 가져하는 수리합니다. 메시에 문제가있는 경우, 경고 기호가 표시됩니다.
    3. 사용 기타> 자동 부품 수리, 확장 수리를 선택하고 파일이 처리되는 동안 잠시 기다려; 작은 모델이 초를 취할 것입니다,하지만 큰 모델, 그것은 분 정도 걸릴 수 있습니다.
    4. 모델을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 STL로 내보내기 부>를 선택하거나 수리 모델을 저장하는 STL로 프로젝트> 수출 프로젝트를 사용; 프로그램은에 "수리"를 추가합니다파일명은 원본 파일과 구별한다.
  2. 오토 데스크 Meshmixer로 인쇄 동양 모델
    주 : 앞서 슬라이스로 모델의 최적 배향이 오버행 수 있으므로 인쇄 과정 중에 필요한 지지체의 수를 감소시킬 것이다. 최적으로 지향 모델은 빠른 인쇄 적은 재료를 사용하여 인쇄하는 동안 실패 할 가능성이 줄어 듭니다 될 것입니다. 자세한 세부 사항은 보충 2.2에서 찾을 수 있습니다.
    1. 다운로드 및 소프트웨어를 설치
    2. 프로그램에 복구 된 STL 파일을 가져옵니다.
    3. 분석> 방향을 선택합니다.
    4. 0, 0, 100 지원 지역 무게를 지원 권 무게 값을 힘을 무게 값을 조정 한 다음 모델을 업데이트합니다. 이는 오버행의 개수를 최소화하기 위해 모델을 회전한다. 결과 방향을 수락합니다.
    5. 파일> 내보내기를 사용하여 드롭 다운 메뉴에서 이진 STL 파일을 선택합니다. 파일을 저장.

3. 슬라이스 및 인쇄

  1. 필라멘트 소재를 선택
    주 : 인쇄 설정이 선택된 재료 다르고 같은 인쇄 물질의 선택은, 슬라이싱 소프트웨어를 사용하기 전에 수행되어야한다. 널리 사용 된 세 가지 재료는 폴리 락트산 (PLA), 열가소성 엘라스토머 (TPE), 아크릴로 니트릴 부타디엔 스티렌 (ABS)이다. 이 만곡 거의 빨리 냉각되지 빌드 플레이트에 잘 부착하고, 같은 PLA는 일반적 상세한 분자 모델을 인쇄하기위한 가장 효과적인 물질이다. TPE는 PLA 유사한 재료이고 유연한 모델을 생성하기 위해 사용될 수있다. 그것은 보완 단백질 표면 모델 또는 단백질 리본 모델을 권장합니다. ABS는 강하고 PLA보다 더 유연하지만 12를 인쇄하는 동안 잠재적으로 유해 입자를 생성한다. 그것은 일반적으로 레에서 높은 재료 온도의 결과로, 분자 모델을 인쇄하지 않는 것이 좋습니다작은 기능의 정확한 생산에요. 자세한 세부 사항은 보충 3.1에서 찾을 수 있습니다.
    1. 폴리 유산 (PLA)로 인쇄.
      1. 210 ° C까지 노즐 온도를 설정합니다. 침대에 부품의 접착 성을 보장하기 위해, 70 ℃의 베드 온도를 설정한다. 비가 열 침대를 사용하는 경우, 화가 '테이프로 커버. 활성 냉각을 사용합니다.
    2. 열가소성 엘라스토머로 인쇄 (TPE)
      1. 단계를 반복 3.1.1.1. 1,200mm / min 이하로 인쇄 속도를 설정합니다.
    3. 아크릴로 니트릴 부타디엔 스티렌으로 인쇄 (ABS)
      1. 냉각 사용하지 마십시오. 240 ° C까지 노즐 온도를 설정합니다. 침대에 부품의 접착 성을 보장하기 위해, 110 ℃로 베드 온도를 설정한다.
  2. G-코드를 생성
    참고 : 모델은 기본적으로 1 천만 배의 배율로 가져옵니다. 리본 모델은 2000 만 배 (200 %) 이상으로 확장 할 수 있어야합니다. 표면 모델 홍보100 % 이상으로 잘 값 int. 자세한 세부 사항은 보충 3.2에서 찾을 수 있습니다.
    1. 다운로드 및 인쇄 슬라이스 소프트웨어를 설치합니다.
    2. 파일> 가져 오기 모델을 사용하고 수리 중심의 STL 파일을 선택합니다.
    3. 모델을 더블 클릭하고 화면의 오른쪽 창에 스케일링 계수를 입력하여 모델 규모.
    4. 모델에 대한 지원 구조를 생성합니다. 지원 아이콘을 선택하고 하나의 기둥 해상도와 50 °의 최대 돌출 각도, 일반 지원을 사용합니다.
    5. 모든 지원 생성을 클릭합니다. 추가 지원 배치를 사용자 정의 할 지원 구조 기능을 제거합니다.
    6. 프로세스를 선택하고 편집 프로세스 설정을 클릭합니다.
    7. 사용중인 프린터와 재료에 대한 프로파일을 구성합니다.
      참고 : 뗏목과 가장자리가 포함되어야하고, 리본 모델은 100 % 충전재로 인쇄해야합니다. 상세 프로필 설정 suppleme에서 찾을 수있다NT 3.2.
    8. 프린터에 의해 판독 될 수있는 G 코드 파일로 변환 모델. 버튼을 프린터 / 재료 프로파일을 포함하는 프로세스를 선택하신 후 "인쇄 준비"를 클릭합니다. 프린터 노즐의 경로를 관찰하고 인쇄 오류가 발생할 수있는 오류를 검사합니다.
      참고 : 인쇄가 실패 할 수 있습니다 오류가 인쇄하기에 너무 얇은 오버행 아래 지원, 바람직하지 않은 공동 누락 층, 또는 영역의 부재를 포함한다.
    9. 바탕 화면에 직접 SD 카드에 G 코드 파일을 저장합니다.
  3. 프린터를 작동
    참고 : 각 프린터를 만들거나 모델이 고유 및 인쇄에 대한 준비와 교정 따라 달라질 수 있습니다. 프린터의 설명서를 참조하십시오.
    1. 워크 스테이션이 프린터 또는 GCODE와 SD 카드가 프린터에 있는지 연결되어 있는지 확인합니다.
    2. 필라멘트를로드하고 침대 수준을 보장하여 프린터를 준비;이 절차에 대한 자세한 내용은 프린터의 사용 설명서를 참조하십시오.
    3. 컴퓨터에서 또는 로컬 프린터 메뉴를 통해 SD 카드에서 인쇄를 시작합니다.
    4. 제 1 층이 성공적으로 완료 될 때까지 인쇄를보세요. 제 1 층에 오류가있는 경우, 중단하고 인쇄를 재시작.

4. 포스트 프로덕션 처리

참고 : 물론 케어이의 최종 단계를주의해야한다. 모델에 지원 구조를 제거해야합니다. 이러한 용해 지지체의 사용과 같은 다른 방법이 사용될 수 있지만, 이것은 일반적으로, 수동으로 수행되고; 부록 4를 참조하십시오.

  1. 부드럽게 옆으로 당겨 빌드 판에서 인쇄를 분리합니다. 뗏목 빌드 판에 강하게 부착 된 경우, 그들 사이의 날카로운 가장자리를 삽입하여 구분합니다.
  2. 모델에서 지원 구조를 제거합니다. 많은 지지체는 부와 RA 오프을 파괴함으로써, 손으로 제거 할 수있다피트 유연한 모델 떨어진 부분에서 그것들을 당겨서 분리 될 수있다. 도달하기 어렵거나 미묘한 구조에 연결되어,지지 파트에 연결되는 점을 클립 할 펜치 사용 지지체하십시오.

Representative Results

안정성, (ⅱ) 신중 (III)의 생체 분자를 인쇄, 가장 통찰력과 안정성을 제공하는 것 인 이차 구조의 표현 형식이나 스타일을 선택을 제공하기 위해 (ⅰ) 육화 결합 : 생체 분자를 안정하고 유익한 3D 인쇄 모델에 의해 제조 될 수있다 하나 이상의 분자 표현, (ⅳ) 모든 렌더링 또는 생체 분자의 일부 유연성, 또는 (V) (접속 조각 즉,) 모듈 형 복잡한 어셈블리를 생성하는 필라멘트를 사용.

이러한 유익하고 안정적인 모델을 인쇄하는 방법을 설명하기 위해, 우리는 염색질의 구성 요소와 염색질의 가상 모델을 생산에 집중했다. 염색질은 매우 복잡한 단백질 DNA 조립체이다. 염색질의 기본 단백질 서브 유닛은 히스톤 단백질이다. 네 히스톤 단백질은 각 나선 이루어져있다확장 된 알파 나선 및 제 뒤에 -loop 나선 (는 "히스톤 배") "히스톤 배." 히스톤 단백질 구조 용이 "리본"표현 (도 3a)을 사용하여 제조 할 수있다. 대안 적으로, 히스톤 단백질의 구조는 단지 그 표면 (도 3b)을 이용하여 표시 할 수있다. 구형 히스톤 량체를 형성하도록 조립 네 히스톤 단백질의 각각의 두 개의 카피들이있다. 히스톤 옥타 때문에 이러한 기능을 인쇄 할 필요가있는 더 큰 규모로, 리본 또는 메모리 표현으로 완전히 인쇄하기에는 너무 크다. 따라서, 이러한 큰 단백질 어셈블리는 최고의 표면 표현 (그림 3C)를 사용하여 표시됩니다. DNA는 10 nm의 직경 뉴 클레오 코어 입자를 형성하는 히스톤 옥타 주변 경로를 도표화한다. DNA의 경로는 두 개의 가장 좋은 모델을 인쇄하고 DNA (도 3D)을위한가요 성 섬유를 이용하여 표시 할 수있다. 뉴 클레오 코어 입자 스택서로에, 30 nm의 직경 "섬유"왼손 suprahelical 구조 고차 조립체를 형성한다. 최고의 10 나노 뉴 클레오 코어 입자가 30 나노 염색질 조립, 인쇄 개별 "디 - 뉴 클레오"입자 (그림 3E)을 형성 한 후 (그림 3 층)를 인쇄 한 후이를 스택 스택 수있는 방법을 설명합니다.

일단도 4에 도시 된 바와 같이 하나의 압출 표면 리본 흐름은, 원자, 분자, 및 복합 모델을 탐색 범위, 상기 마스터. 예를 들어, 표면과 리본 표현이 복잡 떨어진 다른 부분 (도 4b를 DNA 폴리머 라제를 참조)를 설정하기 위해 결합한다. 하나의 3D 객체에 동시에 두 개의 필라멘트를 용융 할 수있는 이중 압출 프린터를 사용하여보다 유익하고 매력적인 모델을 확인합니다 (그림 4C 참조). 대안 적으로, 상기 모델 페인트의 부품 (참조 : 구안오프라인 및 알파 나선,도 4a). 인쇄 및 나트륨 채널 같은 단백질 복합체의 서브 유니트를 조립하거나 복잡 별개의 부품을 인쇄하고 큰 다색 모델에 나중에 조립하여 더욱 수행합니다 (HIV 항체와 리보솜 복합체를 참조도 4C). 이러한 복합 모델은 단일 필라멘트 인쇄에 비해 기능적인 특징을 보여 더 잘 할 수 있습니다. 다른 색상을 강조 예를 들어, 단백질 대 단백질 (HIV 모델) 또는 RNA에 비해 당화 (리보솜 모델, 그림 4C 참조). 또한 하나의 3D 구성은 두 부분의 가까운 착용감을주는 경우 항체가, (gp120의 항체에 의해 결합도 4C 참조) HIV 표면에 결합처럼, 교육 3D 퍼즐의 창조를 위해 수 있습니다. 이러한 모델을 인쇄하는 지시가 보충 5. 또한에서 발견 될 수 있고, 우리는 일의 3D 모델의 구성을 도시하는 보충 비디오를 제공 한E FO는이 촉매기구 효소 중에 발생하는 회전기구 요점을 되풀이 할 수 있도록하는 방식으로 인쇄 부분 조립 하였다 / F1 프로톤 ATP 신타.

그림 1
그림 1. 워크 플로우 준비하고 3D 모델을 인쇄합니다. 물리적 생체 분자 3D 인쇄 생산 단계 도시이다 : (I)의 표현을 선택 포함하는 모델을 준비는; (ii) 상기 모델의 .STL 저장된 파일을 열고 슬라이싱 소프트웨어를 사용하여 파일을 처리하는 단계; (ⅲ) 모델을 인쇄 재료 또는 필라멘트를 선택; 그리고 마지막으로, (IV) 후반 단계를 수행하는 단계를 포함한다.이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
준비의 다양한 단계에서 모델의 다른 표현 2. 비주얼을줍니다. 맨 윗줄 : 두 가지 모델 (유비퀴틴 (PDB 1UBQ) 및 아르기닌)의 일반적인 표현은 프로그램 키메라를 사용하여 시각. 기능 유비퀴틴과 아르기닌의 종류에 따라 색깔 키메라의 STL 모델에서 생성 된 인쇄 공구 경로 : 중동 행 (오렌지 : 메우는 패턴, 진한 파란색 : 외부 쉘, 라이트 블루 : 내부 쉘). 하단 행 : 유비퀴틴과 아르기닌의 최종 인쇄합니다. 유비퀴틴의 표면과 두 개의 리본 모델은 기본 키메라의 STL 출력의 300 %에 인쇄 (키메라 기본 모델 1 nm의 인쇄에 1cm이다)를 지닌 모델 w 동안로 1,000 %로 인쇄. 키메라 기본 리본 또는 스틱 모델은 제대로 인쇄가 너무 얇은하지만 두꺼워 버전은 안정적으로 인쇄됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
3. 뉴 클레오 사례 연구를 그림. (A) 농축에 의해 렌더링 단일 히스톤 H3 단백질 "리본은,"300 %에 인쇄. 200 %에 인쇄 (B) 히스톤 H3 단백질 "표면"표현. 100 % 인쇄 옥타 (C) 히스톤 단백질. 100 % 인쇄 유연한 DNA (흰색)와 함께 단지에 (D) 히스톤 단백질 옥타 (오렌지). (E) Dinucleosome 표면 모델은 기본 프로브 반경 인쇄 100 % 배율로 인쇄. (F)는의 m수동으로 50 %와 25 % 크기로 인쇄 된면이 3 Å의 프로브 반경 렌더링 된 "10 나노"dinucleosome, 개별적으로 인쇄 된 모델을 적층하여 만든 염색질 "30 나노 섬유"의 ODEL 및 개최 함께 플레이 - 찰흙으로. 3D 인쇄는 dinucleosome (PDB 1ZBB)의 모델에서 생성되었다. 모든 모델은 NIH 3D 인쇄 교환 (11)에서 다운로드 자유롭게 사용할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4
3D 인쇄 모델도 4 예는 필라멘트의 프린터를 사용하여 제조. (A) 왼쪽, 육각형 얼음 결정 (이중 필라멘트 인쇄)에서 물 분자의 볼과 스틱 모델입니다. 중동, 염기 (구아닌)의 모델입니다. 오른쪽, 단백질 알파 시간 수소 결합을 보여주는 elix 백본 전용 모델 (검은 색). 구아닌과 알파 나선은 sharpies 수동 컬러 하였다. (B) 왼쪽, 서로 결합되는 4 개의 서브 유닛으로 구성 나트륨 채널 (PDB 3E89). 중동은 말라리아 원충의 L-젖산 탈수소 효소 (PDB 1T2D)는 리본으로 인쇄. DNA의 중합 효소 활성 부위 (PDB 1KLN)의 오른쪽, 모델, 리본 등의 표면 단백질로 보여주는 DNA. (C) 왼쪽, 당 단백질과 HIV 지질 봉투 (PDB 5FUU)의 15 %에 인쇄 항체 (PDB 1IGT), 구속. 중동, 리본 (PDB 5FYJ)로 표시 항체의 가변 영역과 150 %의 당 단백질 항원 표면의 세부 사항. 박테리아 70S 리보솜 (PDB 4V5D)의 오른쪽, 모델 40 %와 20 %에서. 비율은 100 %가 1mm로 분자 인쇄 1 nm의 의미 표준 키메라 출력을 참조하십시오. 모든 모델은 NIH 3D 인쇄 교환 (11)에서 다운로드 자유롭게 사용할 수 있습니다.OAD / 55427 / 55427fig4large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

생체 분자의 실제 3D 모델 시각화의 일반적인 컴퓨터 기반 방법에 강력한 보완을 제공합니다. 실제 3D 표현의 추가 속성은 생체 분자 구조의 직관적 인 이해에 기여한다. 생체 분자의 실제 3D 모델의 구조는 인간 감각 잘 발달 모드 활용 매체의 사용을 통해 학습을 용이하게 할 수있다. 3D 모델은 연구원에 보조제로서뿐만 제공하지만, 교육적 활동을 용이하게하기 위해 사용될 수 있고, 학습이 13, 14, 15이 결과의 달성을 높일 수있다. 폴리펩티드 자석 (16)의 모델에 도시 된 바와 같이, 조립과 분해를 허용하도록 프라 모델에 추가 될 수있다. 또한, 3 차원 프린트 된 물체를 microfl 할뿐만 아니라 실험실 장비 (17)의 제조에 모두 연구에 사용될 수있다셀 (18) 및 결정 (19) 또는 뉴런 (20)의 모델 uidic 장치. 물리 모델의 조작은 새로운 통찰력을 자극 할 수 공동 토론을 촉진하는 역할을 할 수 있습니다.

프린터의 비용에서 3D 프린팅 기술과 감소의 최근 발전은 개별 사용자에 의해 생체 분자의 복잡한 물리적 3D 모델을 만들 수 있습니다. FFF 프린팅 기술은 일반적인 기타 방법보다 저렴하지만, 이는 많은 제한을 야기. 3 차원 프린팅 공정은 시간 소모적이며, 기계적 고장이 발생 않는다. FFF 프린터는 보통 컬러 정보 표시 제한 부 당 하나의 재료를 인쇄 할 수있다. FFF 프린터로 만든 모델의 해상도는 레이어 당 100 μm의 주위에, 낮습니다. 우리는 독자 이러한 제한 작동하고 관심을 자신의 프린터와 생체 분자 (들)에 대한 접근 방식을 개발하기를 권장합니다. 우리는 proce을 제시했다사용자의 요구 SSES는 정확한 정보 및 인쇄 인 관심을 자신의 생체 분자의 사용자 지정 3D 표현을 개발. 어떤 새로운 기술과 마찬가지로, 그것의 사용시 극복해야한다 "성장통은"종종있다. 우리는 문제가 3D 인쇄 생체 분자 (보충 6)의 공정에서 발생할 수있는 여러 가지 실시 예를 제공한다.

마지막으로,이 문서를 통해, 그것은 생체 분자의 3 차원 인쇄에 종사하는 사용자 커뮤니티의 성장에 기여하는 우리의 목표입니다. 중요한 것은, NIH는 3D 모델을 공유 할 수있는 대중에 대한 데이터베이스를 구축하고 방법들을 열을 인쇄하는 데 사용. 우리는 강력하게이 독특한 자원 (국립 보건원 3D 인쇄 Exchange를 3D 모델 인쇄 및 배경 정보를 업로드하는 방법에 대한 지침은 부록 7 참조)에 참여 바랍니다.

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

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References

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