3D Printing av biomolekylära modeller för forskning och pedagogik

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 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.

Protocol

1. Förbered 3D modell filer för utskrift

OBS: 3D modell filer av biomolekyler kan genereras genom två metoder: (1) på nätet med hjälp av automatiserade verktyg för NIH 3D Print Exchange 10, eller (2) lokalt med hjälp av molekylär modellering programvara. Automatiskt genererade modeller kommer att använda de processer som beskrivs i detta protokoll för att skapa utskrivbara representationer, men detaljerna i representationen kan inte väljas av användaren. I motsats därtill anpassad modell generationen tillåter användaren kontroll över de visuella egenskaperna hos biomolekylen. Enskilda atomer, restprodukter, och obligationer kan visas, och omfattningen av band, obligationer och stagen kan anges. NIH 3D Print Exchange automatiserade verktyg och protokoll under båda använder UCSF Chimera, en fri och öppen källkod molekylär modellering mjukvarupaketet 11 som är väl lämpad för att exportera 3D-filer av biomolekyler. Alla 3D-filer som exporteras av Chimera användning ångström föravståndet enheten. När dessa filer importeras till en skiv mjukvara på 1 mm / distans enhet, kommer modellerna skalas till 10 miljoner gångers förstoring.

  1. Automatiskt generera en 3D tryckbar modell med NIH 3D Print Exchange
    OBS! NIH 3D Print Exchange driver Chimera-skript, som liknar de steg som beskrivs i steg 1,2-1,3.
    1. Leta reda på molekylär datafilen av biomolekylära strukturen för att skriva ut från en databas, antingen det preliminära budgetförslaget, EMDB eller PubChem (tillägg 1,1). Registrera antalet anslutning för biomolekylen av intresse.
    2. Navigera till NIH 3D Print Exchange (3dprint.nih.gov) och skapa ett nytt användarkonto, om en förstagångsanvändare.
    3. Gå till funktionen "Quick Skicka", ange koden biomolekyler anslutningen och klicka på skicka.
    4. Efter att generera modellen av biomolekyler, navigera till model page och ladda biomolekylen STL-fil i "band"Eller" yta "representation. Gå vidare till avsnitt 2 i protokollet.
  2. Skapa en anpassad molekylmodell med UCSF Chimera
    OBS: Större detalj om hur du använder Chimera för att göra 3D-modeller, inklusive kommandoraden medel för många steg, kan hittas i tillägg 1.2.
    1. Ladda ner och installera UCSF Chimera (https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html).
    2. Med hjälp av Chimera, hämta den molekylära datafil genom att göra något av följande:
      1. Använda verktygsfältet kommandot Arkiv> Hämta av ID, ange ett PubChem, PDB, eller EMDB kod anslutning för att hämta filen direkt från databasen.
      2. Med kommandot verktygsfältet Arkiv> Öppna, hämta en lokal molekylär datafil; Som standard kommer molekylen att visa band för protein och nukleinsyra, atomer och obligationer för ligander, och rester inom 5 Å av en ligand.
      3. Med hjälp av kommandot Chimera linje, nås genom att gå till som favorit> Command Line, använd kommandot Öppna och ange koden anslutningen.
  3. Framställning av en 3D-tryckbar representation av en biomolekyl
    OBS: Det finns flera sätt att en biomolekylär struktur kan visas eller företrädda. Valet av en särskild representation för utskrift ska göras baserat på hur man bäst kan ge den största insikt i biomolekylen struktur och funktion. Vanligen används representationer innefattar "band", "ytan" och "atomer / obligationer." Men det är bäst att utforska med hjälp av en kombination av dessa framställningar för att visa utvalda sidokedjor eller ligander. Dessutom bör 3D-tryckt struktur vara tillräckligt robust för att skrivas ut och att inte gå sönder när hanteras. Därför är det viktigt att tänka på detta när man väljer en representation eller visa en sidokedja. Also överväga att införa bärande konstruktioner, eller "stöttor". Slutligen, när du skriver modellen kommer det att vara viktigt att skala den så att alla funktioner kommer ut på rätt sätt. Således, för större biomolekyler, skriver helt i band eller atom representationer kanske inte är möjligt på grund skalan där dessa skulle behöva skrivas.
    1. Generera en 3D-printable representation i "band"
      Obs: Mer detaljer kan hittas i tillägg 1.2.1.
      1. Välj det synliga "lösningsmedel", som innehåller joner, genom att använda Välj> Struktur> lösningsmedel.
      2. Dölja valda "lösningsmedel" med Åtgärder> atomer / Obligationer> Dölj.
      3. Tjockna diametern av bandet så att den framgångsrikt kan skrivas ut. Använd Ribbon Style Editor-menyn under Verktyg> återgivning.
        OBS: Nejggested parametrar för ett första försök: under fliken Skalning, ändra höjden på varje objekt till åtminstone 0,7 och bredden av varje inställning till åtminstone följande: Coil 0,7; Helix 1,4; Ark: 1,4; Arrow (bas): 2,1; Arrow (spets) 0,7; Nucleic 1,0.
      4. Om en nukleinsyra är närvarande, ändra grundrepresentation med Åtgärder> atomer / Obligationer> nukleotid objekt> inställningar. Ändra socker / bas display att stege och ringt radien till 0,6.
      5. Valfritt: Gå vidare till steg 1.3.3 att införa stödstrukturer.
    2. Generera en 3D-printable "yta" representation av molekylen
      OBS: Mer detaljer kan hittas i tillägg 1.2.2.
      1. Dölja alla tidigare representationer. Använd Åtgärder> atomer / Obligationer> dölja och Åtgärder> Ribbons>Dölj.
      2. Vid rendering atomer som sfärer, justera radien genom att välja önskad atom (er) och gå till Åtgärder> Inspektera menyn.
        OBS: Ändra standardatomradie kan göra det lättare att skilja olika atomtyper i den tryckta modell.
      3. Dölja visas band, atomer, obligationer och pseudobonds med Åtgärder> atomer / Obligationer> dölja och Åtgärder> Ribbons> Dölj.
      4. Om ytan detalj önskas, tillsätt väteatomer så att beräkningen ytan är mer exakt. Använd Verktyg> Struktur redigering> AddH.
      5. Generera en yta genom att surfa # 0 rutnät 0,5 på kommandoraden.
    3. Skapa en 3D-printable representation i "atomer / obligationer."
      OBS: Mer detaljer kan hittas i tillägg 1.2.3.
      1. Dölj lösningsmedlet. Använda sig avVälj> Struktur> lösningsmedel och sedan Åtgärder> atomer / Obligationer> dölja.
      2. Visa specifika rester och / eller ligander i representationen som atomer och obligationer genom att välja och visa dem med Åtgärder> Atoms / Obligationer> show. Sättet atomer representeras kan ändras i Åtgärder> Atoms / Obligationer rullgardins genom att välja pinne, boll och stick, eller sfär.
      3. Efter att ett urval, öka radien av pinnen eller bollen och hålla representationer med Åtgärder> Inspektera menyn.
      4. Valfritt: Gå vidare till steg 1.3.4 att införa stödstrukturer.
  4. Lägga strukturellt stöd till en 3D-printable representation
    OBS: Mer detaljer kan hittas i tillägg 1.2.4 och 1.2.5. I detta skede kan stöttor läggas till 3D-modellen. Det rekommenderas för alfa-spiraler och beta-ark sekundära strukturer till att omfatta ryggraden vätebindningar för stabilitet, även om små proteiner (dvs mindre än 50 rester) är ofta representerade som ett band med en typisk tjocklek och kan skriva ut bra utan sådant stöd. Men för större proteiner, även med tillsats av vätebindningar, många band modeller är fortfarande alltför ömtåliga för att framgångsrikt skrivas ut. Struts är fysiska anslutningar inom den modell som inte återspeglar någon molekylär egendom men lägga till den mekaniska hållfastheten, vilket underlättar utskrift och hantering. Chimera erbjuder ett snabbt sätt att automatiskt lägga stagen till en modell med kommandot taget via kommandoraden, och individuella stöttor kan också visas vara manuellt med hjälp av Avstånd verktyget.
    1. Visa vätebindningar för att förbereda en kraftigare tryck. Använd menyn Verktyg> Struktur analys> FindHBond.
    2. Använd Verktyg> Allmänt Controls> PseudoBond Panelen för att ändra vätebindningar. Välj "vätebindnings" pseudobonds, klicka på knappen attribut och kontrollera "Component PseudoBond attribut" rutan. I den nedre panelen, ändra obligations stil från tråd att hålla och radien värdet 0,2-0,6.
    3. Valfritt: Lägg till stödstrukturen (s), eller "stag", med hjälp av kommandot stag. Att skapa blå stag med en radie av 1,0 Å i kolet alfa av varje 70 rester längre än 8 Å isär, använd kommandot: struts @ca längd 8 slinga 70 färg blå rad 1,0 fattenRibbon falskt.
    4. Valfritt: Om du vill skapa individuella stöttor med Avstånden verktyget och markera två atomer av shift-ctrl-klicka på var och en av dem, använd Verktyg> Struktur analys> Avstånd och klicka på Skapa för att lägga till en pseudobond. Navigeringskne till PseudoBond panelen, välj "avstånd monitor" pseudobonds, klicka på knappen attribut, och kontrollera "Component PseudoBond attribut" rutan. I den nedre panelen, ändra obligations stil från tråd att hålla och radien värde 0,2-0,01.
    5. Exportera Chimera rendering som en STL 3D-modell fil
      1. När den önskade representationen har erhållits, att använda Arkiv> Exportera scen exportera 3D-filen. Välj STL som filtyp och namn och spara modellen. Obs! Den här STL-fil kan repareras, orienterad, och skrivs ut som beskrivs i avsnitt 2 i protokollet.

2. Process STL-filer för utskrift

  1. STL reparera filer med Autodesk Netfabb
    OBS: En modell kan kräva reparation när den innehåller flera överlappande bitar med Intersecting geometrier, som vanligtvis är fallet med band modeller och atommodeller. Överlappande geometri kan orsaka fel när filen läses av någon skiva programvara, som korsande regioner kan tolkas som utsidan av modellen. Mer i detalj kan hittas i tillägg 2,1.
    1. Ladda ner och installera standardversionen av programvaran.
    2. Öppna programmet och importera STL-fil som ska repareras. Om det finns problem med nätet, kommer en varningsskylt visas.
    3. Använd Extra> Automatisk del Reparation, välj Extended Reparation och vänta medan filen bearbetas; för små modeller, kommer detta att ta några sekunder, men för stora modeller, kan det ta några minuter.
    4. Högerklicka på modellen och välj Exportera Del> Som STL eller använda Project> Exportera Projekt som STL att spara den reparerade modell; Programmet kommer att lägga "repareras" tillfilnamn för att skilja den från den ursprungliga filen.
  2. Orient modeller för utskrift med Autodesk Meshmixer
    OBS: Optimal orientering av en modell före skivning kommer att minska antalet av överhäng och därmed antal stöd som erfordras under tryckningsprocessen. En optimalt orienterad modell kommer ut snabbare, använder mindre material, och vara mindre benägna att misslyckas under utskrift. Mer i detalj kan hittas i tillägg 2,2.
    1. Ladda ner och installera programvara
    2. Importera den reparerade STL-fil i programmet.
    3. Välj Analys> Orientering.
    4. Justera Styrka Viktvärde till 100, support Vol Vikt värdet till 0, Support ytvikt till 0, och sedan uppdatera modellen. Detta kommer att rotera modellen för att minimera antalet överhäng. Acceptera den resulterande orienteringen.
    5. Använd Arkiv> Export och välj binära STL-fil från rullgardinsmenyn. Spara filen.

3. Skivning och utskrift

  1. Välja ett filamentmaterial
    OBS: Valet av ett tryckmaterial bör göras innan du använder en skiva programvara, som utskriftsinställningar kommer att skilja sig för det valda materialet. De tre materialen som ofta används är polymjölksyra (PLA), termoplastiska elastomerer (TPE), och akrylonitril-butadien-styren (ABS). PLA är generellt det mest effektiva materialet för utskrift detaljerade molekylmodeller, som det kyls snabbt, god vidhäftning till byggplattan, och sällan varpar. TPE är ett material liknande PLA och kan användas för att framställa flexibla modeller. Det rekommenderas för kompletterande modeller protein yta eller protein band modeller. ABS är starkare och mer flexibel än PLA, men det ger potentiellt farliga partiklar vid utskrift 12. Det är i allmänhet inte rekommenderas för utskrift molekylmodeller, som de högre materialtemperatur resulterar i lesär exakt produktion av små funktioner. Mer i detalj kan hittas i tillägg 3,1.
    1. Utskrift med polymjölksyra (PLA).
      1. Ställa in munstyckets temperatur till 210 ° C. För att säkerställa vidhäftningen av den del till bädden, ställer bäddtemperaturen till 70 ° C. Om du använder en ouppvärmd säng, täck den med målartejp. Använd aktiv kylning.
    2. Utskrift med termoplastiska elastomerer (TPE)
      1. Upprepa steg 3.1.1.1. Ställ in utskriftshastigheten till 1200 mm / min eller mindre.
    3. Utskrift med akrylonitrilbutadienstyren (ABS)
      1. Använd inte kylning. Ställa in munstyckets temperatur till 240 ° C. För att säkerställa vidhäftningen av den del till bädden, ställer bäddtemperaturen till 110 ° C.
  2. Generera G-kod
    OBS: Modellen kommer att importeras till 10 miljoner gångers förstoring som standard. Ribbon modeller bör skalas till 20 miljoner gånger (200%) eller större. Ytmodeller print väl på 100% eller mer. Mer i detalj kan hittas i tillägg 3,2.
    1. Ladda ner och installera utskriftsskiv programvara.
    2. Använd Arkiv> Import Modell och välj den reparerade och orienterade STL-fil.
    3. Skala modellen genom att dubbelklicka på modellen och ange skalfaktorn i fönstret på den högra sidan av skärmen.
    4. Generera stödstrukturer för modellen. Välj ikonen stöd och använda vanliga stöd, med en pelare upplösning på en och en max överhäng vinkel av 50 °.
    5. Klicka generera alla underlag. Lägg till eller ta bort stödstrukturen funktioner för att anpassa stödplacering.
    6. Välj en process och klicka på Redigera processinställningar.
    7. Konfigurera profilen för skrivaren och material som används.
      OBS: En flotte och brätte bör ingå, och band modeller ska skrivas på 100% utfyllnad. Detaljerade profilinställningar kan hittas i supplement 3,2.
    8. Omvandla modellen till en G-kod-fil som kan läsas av skrivaren. Klicka på "förbereda sig för att skriva ut" knappen och välj processen innehåller skrivaren / material profil. Observera sökvägen till skrivaren munstycket och inspektera det för fel som kan orsaka ett tryck att misslyckas.
      OBS: Fel som kan orsaka trycket misslyckas inkluderar avsaknad av stöd under överhäng, oönskade håligheter, saknade lager eller områden som är för tunn för att skriva ut.
    9. Spara G-kod filen på skrivbordet eller direkt till ett SD-kort.
  3. Styra skrivaren
    OBS: Varje skrivare märke eller modell är unik, och dess framställning och kalibrering för utskrift varierar därefter. Se bruksanvisningen för skrivaren.
    1. Se till att arbetsstationen är ansluten till skrivaren eller att SD-kort med GCODE är i skrivaren.
    2. Förbered skrivaren genom att ladda tråden och se till att sängen är nivån;för instruktioner om dessa procedurer, hänvisas till handboken för skrivaren.
    3. Starta ut från datorn eller lokalt från ett SD-kort via skrivarmenyn.
    4. Titta på trycket tills en första lagret har slutförts. Om det finns några fel i det första lagret, avbryta och starta utskriften.

4. Post-produktion och bearbetning

OBS: Vård naturligtvis bör vidtas på detta, den sista, etappen. Bärande konstruktioner på modellen bör tas bort. Detta görs i allmänhet manuellt, även om alternativa metoder, såsom användning av en upplösnings stöd, kan användas; se bilaga 4.

  1. Lossa trycket från byggplattan genom att dra det i sidled. Om flotten vidhäftar starkt till att bygga plattan, separera den genom att sätta en skarp kant mellan dem.
  2. Avlägsna de stödstrukturer från modellen. Många stöden kan tas bort för hand, genom att bryta dem av delen och raft. Flexibla modeller kan tas bort genom att dra dem bort från delen. För stöd som är svåra att nå eller är kopplade till känsliga strukturer, använder avbitartänger att klippa den punkt där stöd ansluter till del.

Representative Results

Stabila och informativa 3D utskrivbara modeller av biomolekyler kan framställas genom: (i) förtjockning obligationer för att ge stabilitet, (ii) att noggrant välja den sekundära strukturen representation typ eller stil som skulle ge störst insikt och stabilitet, (iii) utskrift biomolekylen i mer än en molekylär representation, (iv) med användning av ett filament som kommer att göra alla eller delar av en biomolekyl flexibel, eller (v) att generera en komplex montering som är modulärt (dvs i anslutningsbara bitar).

För att illustrera hur du skriver ut sådana informativa och stabila modeller har vi fokuserat på komponenterna i kromatin och på att ta fram en hypotetisk modell av kromatin. Kromatin är ett mycket komplext protein-DNA-montering. Den grundläggande proteinunderenhet av kromatin är den histon protein. Det finns fyra histonproteiner, var och en bestående av en helix-loop-helix (en "histon fold"), följt av en förlängd alfahelix och ett andra "histon faldigt." Histon proteinstruktur kan lätt framställas med hjälp av en "band" representation (figur 3A). Alternativt kan histon proteinstrukturen att visas med användning av endast dess yta (figur 3B). Det finns två kopior av vart och ett av de fyra histonproteiner, som samlas för att bilda en klot histon oktamer. Histon oktamer är för stor för att skriva ut helt och hållet som ett band eller pinne representation, på grund av den större skala som dessa funktioner måste skrivas. Varför det är att ett stort protein aggregat bäst visas med hjälp av ytan representation (fig 3C). DNA kartlägga en bana runt histon oktameren att bilda en 10 nm-diameter nukleosomen kärnpartikeln. Banan av DNA kan bäst visas genom att skriva ut två separata modeller och med hjälp av en böjlig tråd för DNA (Figur 3D). Nukleosomen kärnpartiklar stackpå varandra för att bilda en högre ordningens montering, ett 30 nm-diameter "fiber", en vänsterhänt suprahelical struktur. För att bäst illustrera hur 10-nm nukleosomen kärnpartiklar kan stapla för att bilda en 30-nm kromatin montering, skriva ut enskilda "di-nukleosomen" partiklar (figur 3E) och sedan stapla dem efter utskrift (Figur 3F).

När behärskar enda extrudering yta och band arbetsflöde som beskrivs ovan, utforska göra en rad atomära, molekylära och sammansatta modeller, som visas i figur 4. Exempelvis kombinerar yt- och band representationer för att avskilja olika delar av ett komplex (se DNA-polymeras, figur 4B). Göra mer lärorika och tilltalande modeller med hjälp av en dubbel sprut skrivare som kan smälta två trådar samtidigt i en enda 3D-objekt (se figur 4C). Alternativt, måla delar av modeller (se Guanine och alfa helix, figur 4A). Skriv ut och montera subenheter av ett proteinkomplex, som natriumkanalen, eller ta det ännu längre genom att skriva skilda delar av en komplex och sammanföra dem senare i en större, flerfärgade modellen (se HIV-antikropp och ribosomala komplex figur 4C). Sådana sammansatta modeller är bättre på att visa funktionella egenskaper jämfört med en enda glöd utskrifter. Olika färger kan lyfta, exempelvis glykosylering kontra protein (HIV-modellen) eller RNA kontra protein (se ribosomen modell, figur 4C). De gör det också för att skapa pedagogiska 3D-pussel, liksom antikropp som binder till HIV yta (se gp120 bundet av antikropp, figur 4C), där bara en 3D-konfiguration ger en tät passning av båda delarna. Instruktioner om hur du skriver dessa modeller kan hittas i tillägg 5. Dessutom har vi tillhandahållit en kompletterande video som illustrerar konstruktionen av en 3D-modell av the Fo / F1 proton ATP-syntas som trycktes i bitar och monteras på ett sådant sätt så att den kan rekapitulera den roterande mekanism, som sker under denna enzymerna katalytisk mekanism.

Figur 1
Figur 1. Arbetsflöde för att förbereda och skriva ut en 3D-modell. Illustrerad är stegen i att producera en fysisk 3D biomolekylär tryck: (i) framställning av modellen, bland annat val av representation, (Ii) att öppna en sparad STL-fil av modellen och bearbeta filen med skiv programvara; (Iii) att skriva ut modellen och val av material eller filament; och slutligen, (iv) utföra efterproduktionssteg.Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2. grafiken i olika representationer av modeller i olika stadier av förberedelser. Övre raden: Vanliga representationer av två modeller (ubiquitin (PDB 1UBQ) och arginin) visualiseras med hjälp av programmet Chimera. Mellersta raden: Tryckverktygsbanan genereras från Chimera STL modeller, färgad av funktionen typ av ubiquitin och arginin (orange: utfyllnadsmönster, mörkblå: yttre skal, ljusblå: inre skal). Nedre raden: Slut utskrifter av ubiquitin och arginin. Underlag och två band modeller av ubiquitin tryckt på 300% av standard Chimera STL utgång (Chimera standard är en nm i modellen och 1 cm i tryck), medan arginin modell wsom tryckt på 1000%. Chimera standard band eller stick modeller är för tunn för att skriva ut ordentligt, men förtjockade versioner kommer ut på ett tillförlitligt sätt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. nukleosomen fallstudie. (A) Single-histon H3 protein utförda av förtjockning "band", som skrivs ut på 300%. (B) Histon H3 protein "yta" representation, tryckt på 200%. (C) Histon protein oktamer tryckt på 100%. (D) Histon protein oktamer (orange) i komplex med flexibel DNA (vit) tryckt på 100%. (E) Dinucleosome yta modell ut med en standardsondradie och tryckt på 100% skala. (F) A mOdel av kromatin "30-nm fiber" som skapats genom att manuellt stapla individuellt tryckta modeller av "10-nm" dinucleosome, där ytan utfördes med en sondradie av 3 Å, tryckt på 50% och 25% storlekar och höll tillsammans med Play-Doh. 3D tryck genererades från en modell av dinucleosome (PDB 1ZBB). Alla modeller är fritt tillgängliga för nedladdning på NIH 3D Print Exchange 11. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4. Exempel på 3D-tryckta modeller produceras med hjälp av fiber skrivare. (A) Vänster, en boll-och-stick modell av vattenmolekyler i sexkantiga iskristaller (dual-filament print). USA, modell av en nukleotid (guanin). Höger, ett protein alfa h elix ryggraden endast modell som visar vätebindningar (svart). Guanin och alfa helix färgades manuellt med sharpies. (B) Vänster, natriumkanalen, består av 4 subenheter som kan sammanfogas (PBF 3E89). USA, Plasmodium falciparum L-laktatdehydrogenas (PDB 1T2D) ut som band. Höger, modell av DNA-polymeraset aktiva stället (PDB 1KLN), som visar DNA såsom yta och protein som band. (C) Vänster, HIV lipid kuvert med glykoprotein (PDB 5FUU) bunden av antikroppar (PBF 1IGT), tryckt på 15%. USA, detalj av glykoproteinantigen ytan vid 150%, med den variabla regionen i antikroppen som visas som band (PDB 5FYJ). Höger, modeller av den bakteriella 70S ribosom (PDB 4V5D) vid 40% och 20%. Procenttalen avser standard Chimera utgång, där 100% innebär en nm i molekylen tryck som 1 mm. Alla modeller är fritt tillgängliga för nedladdning på NIH 3D Print Exchange 11.OAD / 55427 / 55427fig4large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

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).

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