3D Printing af biomolekylære modeller for forskning og Pædagogik

Published 3/13/2017
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Engineering
 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

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).

Please note that all translations are automatically generated through Google Translate.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

En grundig forståelse af funktionen og aktiviteten af ​​et biomolekyle kræver bestemmelse af dets tredimensionale (3D) struktur. Dette rutinemæssigt opnås ved anvendelse af røntgenkrystallografi, NMR eller elektronmikroskopi. 3D strukturer kan forstås gennem opfattelsen af modeller, eller præcise genstande ligner de strukturer, de repræsenterer en. Historisk bygning af fysiske 3D-modeller var nødvendigt for efterforskerne at validere, udforske og kommunikere de resulterende hypoteser om funktion af biomolekyler. Disse modeller, såsom Watson-Crick DNA dobbelt helix og Paulings alpha helix, forudsat unik indsigt i struktur-funktionsforhold og var afgørende for vores tidlige forståelse af nukleinsyre og protein struktur-funktion 2, 3, 4. Selv om der kan skabes kompleks protein og nucleinsyre-modeller, dentid og omkostninger ved at bygge en fysisk model blev til sidst opvejes af den relative lethed af computerstøttet molekylær visualisering.

Udviklingen af 3D-printer, også kendt som additiv fremstilling, har igen gjort det muligt for konstruktionen af fysiske modeller af biomolekyler 5. 3D-print er processen til fremstilling af en fysisk, 3D objekt fra en digital fil ved den sekventielle tilsætning af lag af et materiale (r). En række mekanismer anvendes i denne proces. Indtil for nylig maskiner anvendt til at producere fysiske modeller af biomolekyler var for dyre til at blive almindeligt anvendt. Men i det sidste årti, 3D-print-teknologi, smeltet filament fabrikation (FFF) i særdeleshed, har avancerede betydeligt, hvilket gør det tilgængeligt for forbrugerne brug 6. FFF printere er nu almindeligt tilgængelige i gymnasier, biblioteker, universiteter og laboratorier. Den større overkommelige priser og tilgængelighed 3D-print-teknologihar gjort det muligt at konvertere digitale 3D biomolekylære modeller til nøjagtige, fysiske 3D biomolekylære modeller 7, 8, 9. Sådanne modeller indbefatter ikke kun simple repræsentationer af enkelte biomolekyler, men også komplekse makromolekylære aggregater, såsom ribosomet og virus capsid strukturer. Men processen med at udskrive enkelte biomolekyler og makromolekylære forsamlinger udgør, flere udfordringer, især ved brug af termoplastiske ekstrudering metoder. Især repræsentationer af biomolekyler har ofte komplekse geometrier, der er vanskelige for printere til at producere, og skabe og behandling af digitale modeller, der udskrives med succes kræver dygtighed med molekylær modellering, 3D-modellering, og 3D-printer software.

3D workflow for udskrivning af et biomolekyle bredt opstår i fire trin: (1) forbereder en biomolekylært model fra sin koordinere fil til 3D trykning;(2) at importere den biomolekylære model i en "udskæring" software til segmentet modellen for printeren og til at generere en støttestruktur, der fysisk vil afstive den biomolekylaer model; (3) at vælge den korrekte filament og udskrivning af 3D-modellen; og (4) post-produktion behandlingstrin, herunder fjernelse bæremateriale fra modellen (figur 1 og 2). Det første skridt i denne proces, beregningsmæssigt manipulere koordinat filen af ​​biomolekyle, er kritisk. På dette trin kan brugeren opbygge model forstærkninger i form af stivere, samt fjerne strukturer, der er fremmede for hvad brugeren vælger at vise. Desuden er valget af repræsentation foretaget på dette stadium: om der skal vises hele eller en del af biomolekylet som overfladerepræsentation, bånd, og / eller de enkelte atomer. Når de nødvendige tilføjelser og / eller subtraktioner indhold er lavet, og repræsentationen er valgt, strukturen gemt som en 3D-model fil. Dernæst filen åbnes i et andet program til at konvertere model i en 3D-print-fil, der kan udskrives, lag for lag, i en plastik kopi af biomolekyle.

Målet med vores protokol er at gøre fremstillingen af ​​molekylære modeller tilgængelige for et stort antal brugere, der har adgang til FFF printere, men ikke til dyrere 3D print teknologier. Her giver vi en guide til 3D-print af biomolekyler fra molekylære data 3D, med metoder, der er optimeret til FFF udskrivning. Vi detaljer, hvordan at maksimere trykbarhed af komplekse biomolekylære strukturer og sikre enkle efterbehandling af fysiske modeller. Egenskaberne af flere almindelige trykning materialer eller filamenter sammenlignes, og anbefalinger om deres anvendelse til at skabe fleksible udskrifter leveres. Endelig har vi fremvise en række eksempler på 3D-printede biomolekylære modeller, der viser brugen af ​​forskellige molekylære repræsentationer.

Protocol

1. Forberedelse 3D Model filer til udskrivning

BEMÆRK: 3D model filer af biomolekyler kan genereres gennem to metoder: (1) online ved hjælp af automatiserede værktøjer af NIH 3D Print Exchange 10, eller (2) lokalt ved hjælp af molekylær modellering software. Automatisk genererede modeller vil bruge de processer er beskrevet i denne protokol til at skabe printable repræsentationer, men detaljer om repræsentation kan ikke vælges af brugeren. I modsætning hertil tilpasset model generation giver brugeren kontrol over de visuelle egenskaber af biomolekylet. Individuelle atomer, restprodukter, og obligationer kan vises, og omfanget af bånd, obligationer, og stivere kan angives. NIH 3D Print Exchange automatiserede værktøjer og protokollen under både bruge UCSF Chimera, en gratis og open source molekylær modellering software-pakke 11, der er velegnet til at eksportere 3D filer af biomolekyler. Alle 3D-filer eksporteres af Chimera brug ångstrøm forafstanden enhed. Når disse filer importeres til en udskæring software på 1 mm / distance enhed, vil modellerne blive skaleret til 10 millioner gange forstørrelse.

  1. Automatisk generere en 3D printable model med NIH 3D Print Exchange
    BEMÆRK: NIH 3D Print Exchange kører Chimera scripts, som svarer til de trin, der er beskrevet i trin 1,2-1,3.
    1. Find den molekylære datafil af biomolekylære struktur til at udskrive fra en database-enten FBF, EMDB eller pubchem (tillæg 1.1). Notér nummeret for biomolekyle af interesse tiltrædelse.
    2. Naviger til NIH 3D Print Exchange (3dprint.nih.gov) og oprette en ny brugerkonto, hvis en første gang bruger.
    3. Naviger til "Quick Send" funktionen, skal du indtaste biomolekyle tiltrædelse koden, og klik på send.
    4. Efter generering af modellen af biomolekylet, navigere til den model siden og download biomolekyle STL fil i "bånd"Eller" overflade "repræsentation. Fortsæt til punkt 2 i protokollen.
  2. Generer en brugerdefineret molekylær model med UCSF Chimera
    BEMÆRK: Større detaljer om brug Chimera for at gøre 3D-modeller, herunder kommando linje ækvivalenter for mange trin, kan findes i tillæg 1.2.
    1. Hent og installer UCSF Chimera (https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html).
    2. Ved hjælp af Chimera, hente den molekylære datafil ved at gøre et af følgende:
      1. Brug af værktøjslinjen kommandoen Filer> Hent med ID, indtast et pubchem, FBF, eller EMDB tiltrædelse kode til at hente filen direkte fra databasen.
      2. Brug af værktøjslinjen kommando Filer> Åbn, hente en lokal molekylær datafil; som standard, vil molekylet vise bånd til protein og nukleinsyre, atomer og obligationer til ligander, og rester inden for 5 Å af en ligand.
      3. Brug af Chimera kommandolinjen, adgang til ved at gå til favoritter> Command Line, bruge kommandoen Åbn og indtast tiltrædelse koden.
  3. Forberedelse af en 3D-printbare repræsentation af et biomolekyle
    BEMÆRK: Der er flere måder at en biomolekylært struktur kan vises eller repræsenterede. Udvælgelsen af ​​en bestemt repræsentation til udskrivning bør baseres på, hvordan man bedst til at levere den største indsigt i biomolekyler struktur-funktion. Almindeligt anvendte repræsentationer omfatter "bånd", "flade" og "atomer / obligationer." Men det er bedst at udforske ved hjælp af en kombination af disse repræsentationer til at vise udvalgte sidekæder eller ligander. Desuden bør den 3D-trykte struktur være robust nok til at blive trykt, således at ikke bryde, når de håndteres. Således er det vigtigt at overveje dette, når der vælges en repræsentation eller vise en sidekæde. Also overveje at indføre bærende konstruktioner, eller "stivere". Endelig, når du udskriver modellen, vil det være vigtigt at skalere det, så alle funktioner vil udskrives korrekt. Således for større biomolekyler, helt udskriver i bånd eller atom repræsentationer måske ikke være muligt på grund af omfanget, hvor disse skulle blive udskrevet.
    1. Generering af en 3D-printbare repræsentation i "bånd"
      Bemærk: Flere detaljer kan findes i tillæg 1.2.1.
      1. Vælg den synlige "opløsningsmiddel", som omfatter ioner, ved at bruge Vælg> Struktur> opløsningsmiddel.
      2. Skjul valgte "solvent" ved hjælp af aktioner> Atomer / Obligationer> Skjul.
      3. Tykkere diameter af båndet, således at den med held kan udskrives. Brug menuen Ribbon Style Editor under Værktøjer> skildring.
        BEMÆRK: Suggested parametre for en indledende forsøg: under fanen skalering, ændre højden af hver vare til mindst 0,7 og bredden af hver indstilling til mindst følgende: Coil 0.7; Helix 1.4; Sheet: 1.4; Pil (base): 2,1; Pil (spids) 0.7; Nucleic 1.0.
      4. Hvis en nukleinsyre er til stede, ændre basen repræsentation med Actions> Atomer / Obligationer> nukleotid objekter> indstillinger. Ændre sukker / basens display at stige og trinnet radius til 0,6.
      5. Valgfrit: Fortsæt til trin 1.3.3 at indføre støttestrukturer.
    2. Generer en 3D-printable "overflade" repræsentation af molekylet
      BEMÆRK: Yderligere detaljer kan findes i tillæg 1.2.2.
      1. Skjul alle tidligere repræsentationer. Brug Handlinger> Atomer / Obligationer> skjule, og Handlinger> Ribbons>skjule.
      2. Når rendering atomer som sfærer, justere radius ved at vælge den ønskede atom (er) og gå til Handlinger> Undersøg menu.
        BEMÆRK: Ændring af standard atomare radius kan gøre det lettere at skelne mellem forskellige atom typer i den trykte model.
      3. Skjul nogen viste bånd, atomer obligationer og pseudobonds ved hjælp Actions> Atomer / Obligationer> Skjul og Handlinger> Bånd> Skjul.
      4. Hvis der ønskes overflade detalje, tilføje hydrogenatomer, således at beregningen overfladen er mere præcis. Brug Funktioner> Struktur redigering> AddH.
      5. Generer en overflade ved at indtaste surf # 0 gitter 0,5 i kommandolinjen.
    3. Generer en 3D-printbare repræsentation i "atomer / obligationer."
      BEMÆRK: Yderligere detaljer kan findes i tillæg 1.2.3.
      1. Skjul opløsningsmidlet. BrugVælg> Struktur> opløsningsmiddel og derefter Handlinger> Atomer / Obligationer> skjul.
      2. Display specifikke rester og / eller ligander i repræsentationen som atomer og obligationer ved at vælge og vise dem med Handlinger> Atomer / Obligationer> show. Den måde atomer er repræsenteret kan ændres i Handlinger> Atomer / Obligationer dropdown ved at vælge stick, bold & stick, eller sfære.
      3. Efter at et valg, øge radius af pind eller bold og holde repræsentationer med Handlinger> Undersøg menu.
      4. Valgfrit: Fortsæt til trin 1.3.4 at indføre støttestrukturer.
  4. Tilføjelse strukturel støtte til et 3D-printbare repræsentation
    BEMÆRK: Yderligere detaljer kan findes i kosttilskud 1.2.4 og 1.2.5. På dette stadium kan stivere hvormed 3D-modellen. Det anbefales til alfa-helixer og beta-sheet sekundære strukturer til at omfatte rygraden hydrogenbindinger til stabilitet, selv om små proteiner (dvs. mindre end 50 rester) ofte er repræsenteret som et bånd med en typisk tykkelse og kan printe godt uden en sådan støtte. Men for større proteiner, selv med tilsætning af hydrogenbindinger, mange bånd modeller er stadig for vanskelig at udskrevet. Struts er fysiske forbindelser inden den model, der ikke afspejler nogen molekylær ejendom, men føje til den mekaniske styrke, hvilket letter trykning og håndtering. Chimera tilbyder en hurtig måde til automatisk at føje stivere til en model med spankulere kommando via kommandolinjen, og de enkelte stivere kan også vises være manuelt ved hjælp af Afstande værktøj.
    1. Display hydrogenbindinger til at forberede en mere robuste print. Brug menuen Funktioner> Struktur Analyse> FindHBond.
    2. Brug Funktioner> Generelt Controls> PseudoBond Panel til at ændre hydrogenbindinger. Vælg "brint bond" pseudobonds klikke på knappen attributter og marker afkrydsningsfeltet "Component PseudoBond Attributes". I den nederste panel, ændre obligationen stil fra ledning til at holde fast og radius værdi fra 0,2 til 0,6.
    3. Valgfrit: Tilføj støttestruktur (r), eller "stivere," ved hjælp af stivere kommando. At skabe blå stivere med en radius på 1,0 Å i carbon alfa af hver 70 rester ikke længere end 8 Å fra hinanden, skal du bruge kommandoen: stivere @ca længde 8 loop 70 farve blå rad 1.0 fattenRibbon falsk.
    4. Valgfrit: Hvis du vil oprette individuelle stivere med Afstande værktøjet, vælge to atomer ved skift-ctrl-klikke på hver af dem, brug Tools> Struktur Analyse> Afstande, og klik på Opret for at tilføje en pseudobond. Navigeringstaste til PseudoBond panelet, skal du vælge "afstand monitor" pseudobonds klikke på knappen attributter, og marker feltet "Component PseudoBond attributter". I den nederste panel, ændre obligationen stil fra ledning til at holde fast og radius værdi fra 0,2 til 0,01.
    5. Eksport af Chimera rendering som en STL 3D model fil
      1. Når den ønskede repræsentation er opnået, til brug Filer> Eksporter Scene eksportere 3D-fil. Vælg STL som filtype og navn og gemme modellen. Bemærk: Denne STL fil kan repareres, orienteret, og udskrives som beskrevet i afsnit 2 i protokollen.

2. Proces STL filer til udskrivning

  1. Reparation STL filer med Autodesk Netfabb
    BEMÆRK: En model kan kræve reparation, når det indeholder flere overlappende stykker med intersecting geometrier, hvilket normalt er tilfældet med bånd modeller og atomare modeller. Overlappende geometri kan forårsage fejl, når filen er læst af nogle udskæring software, som skærende regioner kan fortolkes som det ydre af modellen. Flere detaljer kan findes i tillæg 2.1.
    1. Hent og installer den standard version af softwaren.
    2. Åben programmet og importere STL fil, der skal repareres. Hvis der er problemer med masken, vil et advarselsskilt vises.
    3. Brug Ekstra> Automatisk Repair Part, skal du vælge Udvidet Reparation, og vente, mens filen behandles; for små modeller, vil dette tage sekunder, men for store modeller, kan det tage minutter.
    4. Højreklik på den model, og vælg Export Part> Som STL eller bruge Projekt> Export Project som STL for at gemme den reparerede model; Programmet vil tilføre "repareret" tilfilnavn at skelne det fra den oprindelige fil.
  2. Orient modeller til udskrivning med Autodesk Meshmixer
    BEMÆRK: Optimal orientering af en model før udskæring vil reducere antallet af udhæng og dermed antallet af støtter, der kræves under trykkeprocessen. En optimalt orienteret model vil udskrive hurtigere, bruger mindre materiale, og være mindre tilbøjelige til at mislykkes under udskrivning. Flere detaljer kan findes i tillæg 2.2.
    1. Download og installer software
    2. Importer reparerede STL-filen ind i programmet.
    3. Vælg Analyse> Orientering.
    4. Juster Styrke Vægt værdi til 100, Support Vol Vægt værdien til 0, Support Area Vægt til 0, og derefter opdatere modellen. Dette vil rotere modellen for at minimere antallet af udhæng. Accepter den resulterende orientering.
    5. Brug Filer> Eksporter og vælg binær STL fil fra rullemenuen. Gem filen.

3. udskæring og udskrivning

  1. Vælg en glødetråd materiale
    BEMÆRK: Valget af et trykkeri materiale bør ske, før du bruger en udskæring software, som udskrivningsindstillinger vil afvige for det valgte materiale. De tre materialer, der bruges meget er polymælkesyre (PLA), termoplastiske elastomerer (TPE), og acrylonitrilbutadienstyren (ABS). PLA er generelt den mest effektive materiale til udskrivning detaljerede molekylære modeller, da det køler hurtigt, klæber godt til byggepladen, og sjældent slår sig. TPE er et materiale, der svarer til PLA og kan anvendes til at fremstille fleksible modeller. Det anbefales for supplerende protein overflade modeller eller protein bånd modeller. ABS er stærkere og mere fleksibel end PLA, men det producerer potentielt farlige partikler under udskrivning 12. Det er generelt ikke anbefales til udskrivning molekylære modeller, som de højere resultater materielle temperatur i less præcis produktion af små features. Flere detaljer kan findes i tillæg 3.1.
    1. Udskrivning med polymælkesyre (PLA).
      1. Indstil dysen temperaturen til 210 ° C. For at sikre vedhæftning af delen til sengen, indstille lejetemperaturen til 70 ° C. Hvis du bruger en uopvarmet seng, dække det med malere 'tape. Brug aktiv køling.
    2. Udskrivning med termoplastiske elastomerer (TPE)
      1. Gentag trin 3.1.1.1. Indstil udskrivningshastigheden til 1200 mm / min eller mindre.
    3. Udskrivning med acrylonitril butadien styren (ABS)
      1. Brug ikke køling. Indstil dysen temperaturen til 240 ° C. For at sikre vedhæftning af delen til sengen, indstille lejetemperaturen til 110 ° C.
  2. Generer G-kode
    BEMÆRK: Modellen vil blive importeret til 10 mio gange forstørrelse som standard. Ribbon modeller skal skaleres til 20 millioner gange (200%) eller større. Surface modeller print godt ved 100% eller mere. Flere detaljer kan findes i tillæg 3.2.
    1. Download og installer udskrivning udskæring software.
    2. Brug Filer> Importer Model og vælg den reparerede og orienteret STL fil.
    3. Skalere modellen ved at dobbeltklikke på den model, og indtaste skaleringsfaktoren i vinduet i højre side af skærmen.
    4. Generer støttestrukturer for modellen. Vælg ikonet støtte og bruge de normale understøtter, med en søjle opløsning på 1 og en max udhæng vinkel på 50 °.
    5. Klik generere alle støtter. Tilføj eller fjern support struktur funktioner til at tilpasse support placering.
    6. Vælg en proces, og klik Rediger proces.
    7. Konfigurer profil for printeren, og materiale, der bliver brugt.
      BEMÆRK: En tømmerflåde og randen bør indgå, og farvebånd modeller skal udskrives på 100% infill. Detaljerede profilindstillinger kan findes i supplement 3.2.
    8. Konverter modellen i en G-kode-fil, der kan læses af printeren. Klik på "forberede sig på at udskrive" knappen og vælge den proces, der indeholder printer / materiale profil. Vær opmærksom på printerens sti dyse og inspicere det for fejl, der kan forårsage en udskrift til at mislykkes.
      BEMÆRK: Fejl, der kan forårsage den trykte mislykkes omfatter fraværet af understøtninger under udhæng, uønskede hulrum, manglende lag, eller områder, der er for tynd til at udskrive.
    9. Gem G-kode filen på skrivebordet eller direkte til et SD-kort.
  3. Betjen printeren
    BEMÆRK: Hver printer mærke eller model er unik, og dens forberedelse og kalibrering til udskrivning vil variere i overensstemmelse hermed. Se vejledningen til printeren.
    1. Sørg for, at arbejdsstationen er sluttet til printeren, eller at SD-kortet med GCODE er i printeren.
    2. Klargør printeren ved at indlæse den endeløse og sikre, at sengen er niveau;for instruktioner om disse procedurer henvises til vejledningen til printeren.
    3. Start udskrift fra computeren eller lokalt fra et SD-kort via menuen printer.
    4. Se udskriften, indtil en første lag er blevet gennemført. Hvis der er nogen fejl i det første lag, afbryde og genstarte print.

4. Post-produktion Processing

BEMÆRK: Der skal udvises forsigtighed naturligvis på dette, det sidste, scenen. Bærende konstruktioner på modellen bør fjernes. Dette er normalt gøres manuelt, selv om, kan anvendes alternative fremgangsmåder, såsom anvendelse af et opløseligt støtte; se supplement 4.

  1. Frigør print fra build pladen ved forsigtigt at trække den sidelæns. Hvis raft klæber stærkt til byggepladen, adskille den ved at indsætte en skarp kant mellem dem.
  2. Fjern støttestrukturer fra modellen. Mange bærere kan fjernes manuelt, ved at bryde dem ud af delen og raft. Fleksible modeller kan frigøres ved at trække dem væk fra delen. For bærere, som er vanskelige at nå eller er forbundet med sarte strukturer, anvender bidetang til at klippe det punkt, hvor understøtningen forbinder til del.

Representative Results

Stabile og informative 3D printbare modeller af biomolekyler kan fremstilles ved: (i) fortykkelse obligationer for at skabe stabilitet, (ii) omhyggeligt at vælge den sekundære struktur repræsentation type eller stil, der ville give den største indsigt og stabilitet, (iii) at udskrive biomolekyle i mere end én molekylær repræsentation, (iv) ved anvendelse af et filament, der vil gøre hele eller en del af et biomolekyle fleksibelt, eller (v) generering af et kompleks samling, der er modulopbygget (dvs. i tilsluttes stykker).

For at illustrere, hvordan du udskriver disse informative og stabile modeller, vi fokuseret på de komponenter af kromatin og på at producere en hypotetisk model af kromatin. Chromatin er et meget komplekst protein-DNA forsamling. Den grundlæggende proteinunderenhed af kromatin er histon-protein. Der er fire histonproteiner, hver bestående af en helix-løkke-helix (a "histon fold") efterfulgt af en udvidet alfa-helix og en anden "histon fold." Histon proteinstruktur kan let fremstilles ved anvendelse af en "bånd" repræsentation (figur 3A). Alternativt kan histon proteinstruktur vises ved hjælp kun dens overflade (figur 3B). Der er to kopier af hver af de fire histonproteinerne, der samles for at danne en kugleformet histon octamer. Histon octamer er for stor til at udskrive helt som et bånd eller stok repræsentation, på grund af den større målestok, hvor disse funktioner skal trykkes. Således er sådan et stort protein samling bedst vises ved hjælp overfladerepræsentation (figur 3C). DNA vil kortlægge en sti omkring histon octamer til dannelse af en 10 nm diameter nukleosom kernepartikel. Stien af DNA kan bedst vises ved at udskrive to separate modeller og under anvendelse af en fleksibel filament for DNA (figur 3D). Nukleosom kernepartikler stablepå hinanden til dannelse af en højere orden samling, en 30 nm-diameter "fiber", en venstrehåndet suprahelical struktur. For bedst illustrere, hvordan de 10-nm nucleosomstørrelse kernepartikler kan stable til at danne en 30-nm kromatin forsamling, print individuelle "di-nucleosomstørrelse" partikler (figur 3E) og derefter stak dem efter udskrivning (figur 3F).

Når mestrer enkelt ekstrudering overflade og farvebånd workflow beskrevet ovenfor, udforske gøre en række atomare, molekylære og sammensatte modeller, som illustreret i figur 4. For eksempel kombinerer overflade og bånd repræsentationer til indsat forskellige dele af en kompleks (se DNA-polymerase, figur 4B). Gøre mere instruktive og tiltalende modeller ved anvendelse af en dobbelt ekstrudering printer, der kan smelte to glødetråde samtidigt i et enkelt 3D-objekt (se figur 4C). Alternativt maling dele af modeller (se guanine og alfa-helix, figur 4A). Print og samle underenhederne af et proteinkompleks, som natriumkanalen, eller tage det endnu videre ved at udskrive adskilte dele af en kompleks og samle dem senere i en større, flerfarvede model (se HIV-antistof og ribosomale komplekser, figur 4C). Sådanne sammensatte modeller er bedre i stand til at vise funktionelle funktioner i forhold til single-endeløse prints. Forskellige farver kan fremhæve, fx glycosylering versus protein (HIV model) eller RNA versus protein (se ribosom model, figur 4C). De giver også for skabelsen af uddannelsesmæssige 3D puslespil, ligesom antistoffet binding til HIV overflade (se gp120 bundet af antistof, figur 4C), hvor blot en 3D-konfiguration giver en tæt pasform fra begge dele. Instruktioner om udskrivning disse modeller kan findes i tillæg 5. Derudover har vi givet en supplerende video illustrerer konstruktionen af ​​en 3D-model af the Fo / F1 proton ATP syntase, som blev trykt med stykker og samlet på en sådan måde, så den kan rekapitulere den roterende mekanisme, der opstår under denne enzymer katalytisk mekanisme.

figur 1
Figur 1. Arbejdsgang at forberede og udskrive en 3D-model. Illustreret er de faser i at producere en fysisk 3D biomolekylært print: (i) fremstilling af modellen, herunder valg af repræsentation (Ii) at åbne en gemt STL fil af modellen og forarbejdning filen ved hjælp af udskæring software; (Iii) at udskrive modellen og vælge materialet eller filament; og endelig (iv) udførelse af de post-produktionstrin.Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. Visuals af forskellige repræsentationer af modeller på forskellige stadier af forberedelse. Øverste række: Fælles repræsentationer af to modeller (ubiquitin (FBF 1UBQ) og arginin) visualiseret ved hjælp af programmet Chimera. Midterste række: Udskrivningen værktøjsbaner genereret fra Chimera STL modeller, farvet af funktionen type ubiquitin og arginin (orange: infill mønster; mørkeblå: ydre skal, lyseblå: indre shell). Nederste række: Afsluttende udskrifter af ubiquitin og arginin. Overflade- og to bånd modeller af ubiquitin trykt på 300% af standard Chimera STL udgang (Chimera standard er 1 nm i modellen og 1 cm i print), mens arginin model wsom udskrives 1.000%. Chimera standard bånd eller stick modeller er for tynde til at udskrive korrekt, men fortykket versioner vil udskrive pålideligt. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. nukleosom casestudie. (A) Single-histon H3 protein afsagt af fortykkelse "bånd", trykt på 300%. (B) histon H3 protein "overflade" repræsentation, trykt på 200%. (C) histon protein octamer trykt på 100%. (D) histon-protein octamer (orange) i kompleks med fleksibel DNA (hvid) trykt på 100%. (E) Dinucleosome overflade model trykt med en standard probe radius og trykt på 100% skala. (F) En model af kromatin "30-nm fiber" skabt ved manuelt stabling individuelt trykte modeller af "10-nm" dinucleosome, hvor overfladen blev gjort med en probe radius på 3 Å, trykt på 50% og 25% størrelser, og holdes sammen med Play-Doh. 3D-prints blev genereret fra en model af dinucleosome (PDB 1ZBB). Alle modeller er frit tilgængelige for download på NIH 3D Print Exchange 11. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Eksempler på 3D-printede modeller produceret ved hjælp af endeløse printere. (A) Venstre, en kugle-og-stick model af vandmolekyler i sekskantede iskrystaller (dual-filament print). Middle, model af et nukleotid (guanin). Right, et protein alfa h Elix backbone-only model, der viser hydrogenbindinger (sort). Guanin og alfa-helix blev farvet manuelt med Sharpies. (B) Venstre, natriumkanal, sammensat af 4 underenheder, der kan sættes sammen (PDB 3E89). Mellemøsten, Plasmodium falciparum L-lactat dehydrogenase (FBF 1T2D) udskrives som bånd. Ret, model af DNA-polymerasen aktive sted (PDB 1KLN), der viser DNA som overflade og protein som bånd. (C) Venstre, HIV lipid konvolut med glycoprotein (FBF 5FUU) bundet af antistoffer (FBF 1IGT), trykt på 15%. Middle, detalje af glycoproteinantigen overflade ved 150%, med den variable region af antistoffet vist som bånd (PDB 5FYJ). Højre, modeller af den bakterielle 70S Ribosome (FBF 4V5D) på 40% og 20%. Procenter refererer til standard Chimera output, hvor 100% betyder en nm i molekylet prints som 1 mm. Alle modeller er frit tilgængelige for download på NIH 3D Print Exchange 11.OAD / 55427 / 55427fig4large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Fysiske 3D-modeller af biomolekyler giver en kraftfuld supplement til mere almindelige computer-baserede metoder til visualisering. De yderligere egenskaber af en fysisk 3D repræsentation bidrager til intuitiv forståelse af biomolekylære struktur. Konstruktionen af ​​fysiske 3D-modeller af biomolekyler kan lette deres undersøgelse ved anvendelse af et medium, der drager fordel af veludviklede former for menneskelig sensation. 3D-modeller tjener ikke kun som en hjælp til forskeren, men kan anvendes til at lette pædagogiske aktiviteter og kan øge opfyldelsen af læringsresultater 13, 14, 15. Magneter kan tilsættes til plast modeller for at muliggøre montering og demontering, som vist med en model af polypeptider 16. Desuden kan 3D-trykte genstande anvendes i forskning, både i fremstillingen af laboratorieudstyr 17, samt for at gøre microfluidic udstyr til celler 18 og modeller af krystaller 19 eller neuroner 20. Den manipulation af fysiske modeller kan tjene til at fremme samarbejde diskussioner, som kan inspirere nye indsigter.

Den seneste udvikling i 3D udskrivning teknologier og reduktioner i udgifterne til printere muliggør skabelsen af ​​komplekse, fysiske 3D-modeller af biomolekyler ved hjælp af en enkelt bruger. Selvom FFF printteknologi er mere almindelige og billigere end andre metoder, det udgør en række begrænsninger. 3D trykning proces er tidskrævende, og mekaniske fejl opstår. FFF-printere kan normalt kun udskrive ét materiale pr del, begrænser visningen af ​​farveinformation. Opløsningen af ​​modeller lavet på FFF printere er lav, omkring 100 um per lag. Vi anbefaler læseren til at arbejde med disse begrænsninger og til at udvikle en tilgang til deres printer og biomolekyler (r) af interesse. Vi har præsenteret proceSSES kræves for en bruger at udvikle en brugerdefineret 3D repræsentation af deres biomolekyle af interesse, der er nøjagtig, informativ og kan udskrives. Som med enhver ny teknologi, er der ofte "vokseværk", der skal overvindes i løbet af dens brug. Vi giver flere eksempler hvor problemer kan opstå i processen med 3D trykning biomolekyler (se supplement 6).

Endelig gennem denne artikel, er det vores mål at bidrage til vækst i et fællesskab af brugere, der udfører den 3D-print af biomolekyler. Vigtigere er det, har NIH etableret en database for offentligheden for at dele 3D-modeller og de anvendte metoder til at udskrive dem 10. Vi opfordrer på det kraftigste at deltage i denne unikke ressource (se supplement 7 for instruktioner om hvordan du uploader en 3D-model print og baggrundsinformation til NIH 3D Print Exchange).

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats