3D Printing Biomoleculaire modellen voor onderzoek en Pedagogiek

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

Een goed begrip van de functie en activiteit van een biomolecuul vereist de bepaling van de driedimensionale (3D) structuur. Dit wordt routinematig bereikt door röntgenkristallografie, NMR of elektronenmicroscopie. 3D-structuren kunnen worden begrepen door de waarneming van modellen of accurate voorwerpen lijkt op de structuren die zij vertegenwoordigen 1. Historisch gezien is de constructie van fysieke 3D-modellen was nodig onderzoekers valideren, onderzoeken en communiceren de resulterende veronderstellingen met betrekking tot de functie van biomoleculen. Deze modellen, zoals DNA dubbele helix van Watson-Crick en Pauling's alpha helix, ontvangen unieke inzicht in de structuur-functie relaties en zijn cruciaal voor onze vroege begrip van nucleïnezuur en eiwit structuur-functie 2, 3, 4. Hoewel complex eiwit en nucleïnezuur modellen kunnen worden gecreëerd, detijd en kosten van het bouwen van een fysisch model werd uiteindelijk gecompenseerd door het relatieve gemak van computerondersteunde moleculaire visualisatie.

De ontwikkeling van 3D printen, ook bekend als additive manufacturing is weer vrijgegeven, de constructie van fysische modellen van biomoleculen 5. 3D printen is het proces van het vervaardigen van een fysieke, 3D object uit een digitaal bestand door de opeenvolgende toevoeging van lagen van een materiaal (s). Er worden verschillende mechanismen worden in dit proces. Tot voor kort, de machines die gebruikt worden om fysische modellen van biomoleculen produceren waren te duur om op grote schaal worden gebruikt. Echter, in het laatste decennium, 3D printing-technologie, gesmolten filament fabricage (FFF) in het bijzonder, is aanzienlijk gevorderd, toegankelijk te maken voor gebruik door consumenten 6. FFF printers zijn nu algemeen beschikbaar in hoge scholen, bibliotheken, universiteiten en laboratoria. Hoe groter de betaalbaarheid en toegankelijkheid van de 3D-printtechnologieheeft het mogelijk digitale 3D modellen biomoleculaire zetten in nauwkeurige, fysieke 3D modellen biomoleculaire 7, 8, 9. Dergelijke modellen omvatten niet alleen eenvoudig representaties van enkele biomoleculen, maar ook complexe macromoleculaire samenstellingen, zoals ribosoom en viruscapside structuren. Echter, het proces waarbij afzonderlijke biomoleculen en macromoleculaire samenstellingen brengt verschillende uitdagingen, vooral bij gebruik van thermoplastische extrusie werkwijzen. In het bijzonder, voorstellingen van biomoleculen hebben vaak complexe geometrieën die moeilijk voor printers te produceren, en het creëren en verwerken van digitale modellen die met succes wordt afgedrukt vereist vaardigheid met moleculaire modellering, 3D-modellering en 3D-printer software.

De 3D workflow voor het afdrukken van een biomolecuul algemeen voorkomt in vier stappen: (1) het bereiden van een biomoleculaire model uit de coördinaten bestand 3D printing;(2) het importeren van de biomoleculaire model in een "snijden" software voor het segment van het model voor de printer en een ondersteunende structuur die fysiek zal het faillissement van de biomoleculaire model te genereren; (3) het selecteren van de juiste filament en printen van de 3D-model; en (4) postproductie verwerkingsstappen, waaronder het verwijderen dragermateriaal uit het model (figuren 1 en 2). De eerste stap in dit proces, computationeel manipuleren van de coördinaten bestand van het biomolecuul, kritisch. In dit stadium kan de gebruiker model versterkingen te bouwen in de vorm van schoren, evenals verwijderen structuren die losstaat van wat de gebruiker kiest om te tonen zijn. Bovendien is de keuze van vertegenwoordiging in dit stadium: of geheel of gedeeltelijk van het biomolecuul weergegeven als een oppervlak representatie, linten, en / of individuele atomen. Zodra de noodzakelijke aanvullingen en / of aftrekken van de inhoud worden gemaakt en de weergave wordt geselecteerd, wordt de structuur opgeslagen als 3D model file. Vervolgens wordt het bestand nu in een tweede programma aan het model om te zetten in een 3D afdrukbestand dat kan worden afgedrukt, laag voor laag, in een plastic replica van het biomolecuul.

Het doel van ons protocol is het vervaardigen van moleculaire modellen toegankelijk voor het grote aantal gebruikers die toegang tot FFF printers maar niet duurder 3D printing technologieën maken. Hier bieden we een handleiding voor de 3D-printen van biomoleculen van 3D moleculaire gegevens, met methoden die zijn geoptimaliseerd voor FFF afdrukken. We detail hoe de bedrukbaarheid van complexe biomoleculaire structuren maximaal te bevorderen en de eenvoudige nabewerking van fysische modellen. De eigenschappen van een aantal gemeenschappelijke printmaterialen of filamenten worden vergeleken, en aanbevelingen over het gebruik ervan te creëren flexibele prints zijn aanwezig. Tenslotte presenteren we een reeks voorbeelden van 3D-modellen gedrukte biomoleculaire dat het gebruik van verschillende moleculaire representaties tonen.

Protocol

1. Voorbereiding 3D Model bestanden voor afdrukken

OPMERKING: 3D modelbestanden van biomoleculen kan worden gegenereerd door middel van twee methoden: (1) keer de geautomatiseerde instrumenten van de NIH 3D Print Exchange 10, of (2) ter plaatse via moleculaire modellering software. Automatisch gegenereerde modellen zullen de processen beschreven in dit protocol om afdrukbare voorstellingen maken te gebruiken, maar de details van de vertegenwoordiging kan niet door de gebruiker worden gekozen. In tegenstelling aangepaste model generatie kan de gebruiker de controle over de visuele eigenschappen van het biomolecuul. Individuele atomen, residuen, en obligaties kunnen worden weergegeven, en de omvang van linten, obligaties, en stutten kunnen worden gespecificeerd. De NIH 3D Print Exchange geautomatiseerde tools en het protocol onder beide gebruiken UCSF Chimera, een gratis en open source moleculaire modeling software pakket 11 dat zeer geschikt is voor het exporteren 3D-bestanden van biomoleculen. Alle 3D-bestanden door Chimera gebruik Angstrom geëxporteerd voorde afstand unit. Wanneer deze bestanden op 1 mm / afstand eenheid in een snijdende software worden geïmporteerd, zal de modellen worden geschaald op 10 miljoen keer vergroting.

  1. Automatisch een 3D-afdrukbare model met de NIH 3D Print Exchange
    OPMERKING: De NIH 3D Print Exchange loopt Chimera scripts die vergelijkbaar zijn met die stappen 1.2-1.3 beschreven stappen.
    1. Zoek het bestand van de biomoleculaire structuur moleculaire om af te drukken uit een database-ofwel het VOB, EMDB of PubChem (supplement 1,1). Noteer het toegangsnummer voor het biomolecuul van belang.
    2. Navigeer naar de NIH 3D Print Exchange (3dprint.nih.gov) en maak een nieuwe gebruikersaccount, als een first-time gebruiker.
    3. Navigeer naar de "Quick Submit" -functie, voer de biomolecuul toetreding code, en klik op verzenden.
    4. Na het genereren van het model van het biomolecuul, navigeer naar het model pagina en download het biomolecuul STL bestand in "ribbon"Of" surface "representatie. Ga verder met deel 2 van het protocol.
  2. Genereer een aangepaste moleculair model met UCSF Chimera
    OPMERKING: Meer detail over het gebruik van Chimera voor het maken van 3D-modellen, waaronder command line equivalenten voor vele stappen, kan gevonden worden in aanvulling 1.2.
    1. Download en installeer UCSF Chimera (https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html).
    2. Met behulp van Chimera, halen het gegevensbestand moleculaire door het doen van een van de volgende:
      1. Met behulp van de werkbalk opdracht File> Fetch door ID, voer een PubChem, VOB, of EMDB toetreding code om het bestand rechtstreeks te halen uit de database.
      2. Met behulp van de werkbalk opdracht Bestand> Openen, op te halen een lokale moleculaire databestand; standaard, zal het molecuul linten voor eiwit en nucleïnezuur, atomen en obligaties voor liganden, en residuen weer te geven binnen 5 a van een ligand.
      3. Met behulp van de Chimera command line, benaderd door te gaan naar favorieten> Command Line, gebruikt u de opdracht Open en voer de toetreding code.
  3. Het voorbereiden van een 3D-afdrukbare weergave van een biomolecuul
    NB: Er zijn verschillende manieren waarop een biomoleculaire structuur kan worden weergegeven of vertegenwoordigd. De keuze van een bepaalde representatie afgedrukt moet worden gebaseerd op hoe de grootste inzicht in de biologische molecule structuur-functie te geven. Veelgebruikte representaties zijn "linten" "oppervlakte" en "atomen / bonds." Toch is het het beste om te verkennen een combinatie van deze representaties te selecteren zijketens of liganden weergegeven. Bovendien moet de 3D-structuur afgedrukte robuust genoeg te drukken zijn en niet breken bij hantering. Derhalve is het belangrijk om deze overweging bij de keuze representatie of weergeven van een zijketen. Also overwegen om ondersteunende structuren, of "stutten." Tenslotte, bij het afdrukken van het model, is het van belang te schalen zodat alle functies correct afgedrukt. Zo grotere biomoleculen, afdrukken beperken in linten of atoom representaties mogelijk niet haalbaar vanwege de schaal waarop deze zouden moeten worden afgedrukt.
    1. Het genereren van een 3D-afdrukbare vertegenwoordiging in "linten"
      Opmerking: Meer details vindt u in supplement 1.2.1.
      1. Selecteer de zichtbare "oplosmiddel", die ionen omvat, met behulp van Select> Structuur> oplosmiddel.
      2. Verberg de geselecteerde "solvent" met behulp van Acties> Atoms / Bonds> verbergen.
      3. Dikker de diameter van de band, zodat het met succes kan worden afgedrukt. Gebruik het menu Ribbon Style Editor onder Extra> Voorstelling.
        LET OP: Suggested parameters voor een eerste poging: onder het tabblad Scaling, verander de hoogte van elk item om ten minste 0,7 en de breedte van elke instelling om ten minste de volgende: Coil 0,7; Helix 1.4; Sheet: 1.4; Arrow (base): 2,1; Arrow (tip) 0,7; Nucleic 1,0.
      4. Als een nucleïnezuur aanwezig is, verandert de basis vertegenwoordiging met Acties> Atoms / Bonds> nucleotide objecten> instellingen. Verander de suiker / base display ladder en de sport straal tot 0,6.
      5. Optioneel: Ga naar stap 1.3.3 om ondersteunende structuren te introduceren.
    2. Genereer een 3D-bedrukbare "oppervlak" vertegenwoordiging van de molecule
      OPMERKING: Meer details vindt u in supplement 1.2.2.
      1. Verberg alle eerdere voorstellingen. Gebruik Acties> Atoms / Bonds> verbergen, en acties> Ribbons>verbergen.
      2. Bij het afleggen van atomen als bolletjes, stel de radius van de gewenste atoom (s) te selecteren en naar de Acties> menu inspecteren.
        OPMERKING: De standaardinstelling atoomstraal kan het gemakkelijker maken om verschillende atoom soortelijke afgedrukte model.
      3. Verberg een weergegeven linten, atomen, obligaties en pseudobonds met behulp van Acties> Atoms / Bonds> Hide and Acties> Linten> verbergen.
      4. Wanneer vlak detail gewenst, voeg waterstofatomen welke berekening oppervlak nauwkeuriger. Gebruik Extra> Structuur bewerken> ADDH.
      5. Genereer een oppervlak door het invoeren van surf # 0 rooster 0.5 in de opdrachtregel.
    3. Genereer een 3D-afdrukbare vertegenwoordiging in "atomen / obligaties."
      OPMERKING: Meer details vindt u in supplement 1.2.3.
      1. Verberg het oplosmiddel. GebruikSelecteer> Structuur> oplosmiddel en vervolgens Acties> Atoms / Bonds> verbergen.
      2. Specifieke residuen en / of liganden in de representatie als atomen en obligaties door het selecteren en ze te laten zien met acties> Atoms / Bonds> tonen. De manier waarop atomen worden voorgesteld kan in de Acties> Atoms / Bonds dropdown worden veranderd door het selecteren stick, bal en stick, of sfeer.
      3. Na het maken van een selectie, verhoging van de straal van de stick of de bal en stok verklaringen met het Acties> menu inspecteren.
      4. Optioneel: Ga naar stap 1.3.4 om ondersteunende structuren te introduceren.
  4. Het toevoegen van structurele steun aan een 3D-afdrukbare representatie
    OPMERKING: Meer gegevens zijn te vinden in supplementen 1.2.4 en 1.2.5. In dit stadium kan steunen worden toegevoegd aan het 3D model. Het wordt aanbevolen voor alfa-helices en beta-sheet secundaire structuren te backbone waterstofbruggen voor stabiliteit omvatten, hoewel kleine eiwitten (dat wil zeggen, minder dan 50 residuen) worden vaak voorgesteld als een lint met een typische dikte en kan heel goed af te drukken zonder deze steun. Echter, voor grotere eiwitten, zelfs met de toevoeging van waterstofbruggen, veel modellen lint nog te teer succes worden afgedrukt. Struts zijn fysieke verbindingen binnen het model dat geen moleculaire woning heeft, weerspiegelen, maar toe te voegen aan de mechanische sterkte, waardoor het gemakkelijker drukwerk en handling. Chimera biedt een snelle manier om automatisch te stutten toe te voegen aan een model met de strut commando via de command line, en de individuele stutten kan ook handmatig worden weergegeven met de afstanden tool.
    1. Weergave waterstofbruggen een steviger druk te bereiden. Gebruik het menu Extra> Structuur Analyse> FindHBond.
    2. Gebruik Extra> General ContRols> PseudoBond Panel om de waterstofbruggen te wijzigen. Selecteer het "waterstofbrug" pseudobonds, klikt u op de knop attributen en controleer de "Component PseudoBond Attributen" box. In het onderste paneel, verander de bond stijl uit draad vast te houden en de straal waarde 0,2-0,6.
    3. Optioneel: Voeg draagstructuur (s), of "stutten," met de opdracht stutten. Om blauwe stutten te maken met een straal van 1,0 Å in de carbon alpha van ieder 70 residuen niet verder dan 8 Å van elkaar, gebruik je het commando: stutten @ca lengte 8 lus 70 kleur blauw rad 1,0 fattenRibbon vals.
    4. Optioneel: Als u afzonderlijke stutten te maken met de afstanden tool, selecteert u twee atomen door shift-ctrl-klikken op elk van hen, gebruik Extra> Structuur Analyse> Afstanden, en klik op Maken om een pseudobond toe te voegen. Navigate naar de PseudoBond Panel, selecteer de "afstand beeldscherm" pseudobonds, klikt u op de knop attributen, en controleer de "Component PseudoBond Attributen" box. In het onderste paneel, verander de bond stijl uit draad vast te houden en de straal waarde 0,2-0,01.
    5. Exporteren van de Chimera-weergave als een STL 3D-model bestand
      1. Zodra de gewenste voorstelling is verkregen, gebruik Bestand> Exporteren Scene om de 3D-bestand te exporteren. Selecteer STL als het bestandstype en naam en sla het model. Opmerking: Dit STL bestand kan worden hersteld, georiënteerd, en afgedrukt zoals beschreven in hoofdstuk 2 van het protocol.

2. Proces STL bestanden voor afdrukken

  1. Reparatie STL-bestanden met Autodesk Netfabb
    LET OP: Een model kan worden gerepareerd als het bevat meerdere overlappende stukken met intersecting geometrieën, hetgeen doorgaans het geval is met lint modellen en atoommodellen. Overlappende geometrie kan fouten veroorzaken wanneer het bestand wordt gelezen door een software snijden, zich kruisende gebieden kan worden geïnterpreteerd als de buitenkant van het model. Meer details zijn te vinden in aanvulling 2.1.
    1. Download en installeer de standaard versie van de software te installeren.
    2. Open het programma en importeer de STL-bestand te repareren. Als er problemen zijn met het netwerk, zal een waarschuwing worden weergegeven.
    3. Gebruik Extra> Automatisch deel Reparatie, selecteert Extended Reparatie, en wacht terwijl het bestand wordt verwerkt; voor kleine modellen, zal dit seconden duren, maar voor grote modellen, kan het minuten duren.
    4. Klik met de rechtermuisknop op het model en selecteer Exporteren Part> Als STL of gebruik Project> Project exporteren als STL om het gerepareerde model op te slaan; het programma het optellen "gerepareerd" naar debestandsnaam om het te onderscheiden van het originele bestand.
  2. Orient modellen voor afdrukken met Autodesk Meshmixer
    OPMERKING: optimale oriëntatie van een model vóór snijden wordt het aantal overhangende en dus het aantal dragers vereist gedurende het drukken te verminderen. Een optimaal georiënteerd model zal sneller af te drukken, minder materiaal te gebruiken, en minder kans om te mislukken tijdens het afdrukken. Meer details zijn te vinden in aanvulling 2.2.
    1. Downloaden en installeren
    2. Importeer het gerepareerde STL bestand in het programma.
    3. Kies Analyse> Oriëntatie.
    4. Pas de Kracht Gewichtstoename waarde tot 100, Ondersteuning Vol Weight waarde 0, Supportbereik gewicht op 0, en dan is het model te werken. Daarbij zullen draaien om het aantal overhangende minimaliseren. Accepteer de resulterende oriëntatie.
    5. Gebruik Bestand> Exporteren en kies binaire STL-bestand van het dropdown menu. Sla het bestand op.

3. Snijden en afdrukken

  1. Selecteer een filamentmateriaal
    NB: De selectie van een drukmateriaal moet worden gedaan voor het gebruik van een snijden software, afdrukinstellingen verschillen van het geselecteerde materiaal. De drie materialen die op grote schaal worden gebruikt zijn polymelkzuur (PLA), thermoplastische elastomeren (TPE) en acrylonitrilbutadieenstyreen (ABS). PLA is in het algemeen het meest effectief materiaal voor het drukken gedetailleerde moleculaire modellen, zoals het snel afkoelt, hecht goed op de bouwen plaat, en zelden verdraaien. TPE is een materiaal vergelijkbaar met PLA en kunnen worden gebruikt om flexibele modellen. Het wordt aanbevolen voor aanvullende eiwit oppervlak modellen of eiwit lint modellen. ABS is sterker en flexibeler dan PLA, maar het levert potentieel gevaarlijke deeltjes tijdens het afdrukken 12. In het algemeen wordt aanbevolen voor het afdrukken moleculaire modellen, de hogere materiaaltemperatuur leidt less precieze productie van kleine features. Meer details zijn te vinden in aanvulling 3.1.
    1. Afdrukken met polymelkzuur (PLA).
      1. Stel het mondstuk temperatuur tot 210 ° C. Om de hechting van het onderdeel op het bed te waarborgen, stelt de bedtemperatuur tot 70 ° C. Bij gebruik van een onverwarmd bed, dek het af met tape schilders. Gebruik actieve koeling.
    2. Afdrukken met thermoplastische elastomeren (TPE)
      1. Herhaal stap 3.1.1.1. Stel de afdruksnelheid 1200 mm / min of minder.
    3. Afdrukken met acrylonitril butadieen styreen (ABS)
      1. Gebruik geen koeling. Stel het mondstuk temperatuur tot 240 ° C. Om de hechting van het onderdeel op het bed te waarborgen, stelt de bedtemperatuur tot 110 ° C.
  2. Genereren van G-code
    LET OP: Het model zal worden ingevoerd op 10 miljoen keer vergroot door gebrek. Lint modellen moeten worden opgeschaald tot 20 miljoen keer (200%) of meer. Oppervlak modellen print ook op 100% of meer. Meer details zijn te vinden in aanvulling 3.2.
    1. Download en installeer het afdrukken snijden software.
    2. Gebruik Bestand> Import Model en selecteer het gerepareerde en georiënteerd STL bestand.
    3. Schaal het model door te dubbelklikken op het model en het invoeren van de schaalfactor in het venster aan de rechterkant van het scherm.
    4. Genereren van ondersteunende structuren voor het model. Selecteer het pictogram ondersteuning en gebruik normale steunen, met een pijler resolutie van 1 en een maximum overhang hoek van 50 °.
    5. Klik op het genereren van alle dragers. Toevoegen of verwijderen steunconstructie functies om ondersteuning plaatsing aan te passen.
    6. Selecteer een proces en klik op Bewerken proces-instellingen.
    7. Configureer het profiel voor de printer en het materiaal dat wordt gebruikt.
      LET OP: Een vlot en rand moet worden opgenomen, en lint modellen moeten worden afgedrukt op 100% vulling. Gedetailleerd profiel instellingen zijn te vinden in aanvuljendent 3,2.
    8. Omzetten van het model in een G-code bestand dat kan worden gelezen door de printer. Klik op de "voor te bereiden om te printen" knop en selecteer het proces met de printer / materiaal profiel. Let op het pad van de printer mondstuk en te inspecteren voor fouten die ertoe kunnen leiden dat een afdruk te mislukken.
      LET OP: Fouten die kunnen leiden tot de afdruk mislukken onder meer het ontbreken van ondersteuningen onder overhangen, ongewenste holtes, ontbrekende lagen of gebieden die te dun is om af te drukken zijn.
    9. Sla de G-code bestand naar het bureaublad of direct naar een SD-kaart.
  3. Bedien de printer
    OPMERKING: Elke printer merk of model is uniek, en de voorbereiding en kalibratie voor het afdrukken zal dienovereenkomstig variëren. Raadpleeg de handleiding voor de printer.
    1. Zorgen dat het werkstation is aangesloten op de printer of de SD-kaart Gcode in de printer.
    2. Bereid de printer door het laden van het filament en zonder dat het bed waterpas;voor meer informatie over deze procedures vindt u in de handleiding van de printer.
    3. Start het afdrukken vanaf de computer of lokaal vanaf een SD-kaart via het menu printer.
    4. Bekijk de druk tot een eerste laag met succes is afgerond. Als er fouten in de eerste laag, af te breken en de druk opnieuw op.

4. Post-productie, de verwerking

LET OP: Zorg vanzelfsprekend moet worden genomen in deze, de finale, podium. Ondersteunende structuren van het model moeten worden verwijderd. Dit wordt meestal handmatig gedaan, maar alternatieve methoden, zoals het gebruik van een oplosbare drager, kan worden gebruikt; zie bijlage 4.

  1. Maak de print van de build plaat door het voorzichtig opzij te trekken. Als het vlot sterk hecht aan het bouwen plaat, te scheiden door het invoegen van een scherpe rand tussen hen.
  2. Verwijder de ondersteunende structuren van het model. Velen steunen kunnen worden verwijderd door met de hand, door ze af te breken van het onderdeel en de raft. flexibele modellen kunnen worden losgemaakt door ze uit de buurt van de kant te trekken. Voor dragers die moeilijk bereikbare of verband delicate structuren gebruiken kniptang tot het punt waar de drager verbindt met het deel knippen.

Representative Results

Stabiele en informatieve 3D afdrukbare modellen van biomoleculen kan worden bereid door: (i) verdikking obligaties stabiliteit, (ii) het zorgvuldig selecteren van secundaire structuurtype verklaring of stijl die de grootste inzicht en stabiliteit zou verschaffen, (iii) het afdrukken van het biomolecuul in bieden meerdere moleculaire representatie, (iv) met een filament dat alle zal maken of deel van een biomolecuul flexibele of (v) het genereren van een complex samenstel dat modulair is (dat wil zeggen, in koppelbaar stuks).

Om te illustreren hoe een dergelijk informatief en stabiele modellen af ​​te drukken, hebben we ons gericht op de componenten van chromatine en op het produceren van een hypothetisch model van chromatine. Chromatine is een zeer complex proteïne-DNA assembly. De fundamentele eiwit subeenheid van chromatine is het histon eiwit. Er zijn vier histon-eiwitten, elk bestaande uit een helix-loop-helix (a 'histon fold ") gevolgd door een uitgebreide alfa-helix en een tweede" histon fold. " Histon eiwitstructuur kunnen gemakkelijk worden bereid volgens een "ribbon" representatie (Figuur 3A). Als alternatief kan de histon eiwitstructuur weergegeven met alleen het oppervlak (Figuur 3B). Er zijn twee kopieën van elk van de vier histon eiwitten die assembleren tot een bolvormige histon octameer vormen. De histon octameer is te groot om uitsluitend als een lint of staaf representatie afdrukken, door het grotere schaal waarop deze functies moeten worden afgedrukt. Aldus wordt een dergelijk groot eiwit samenstel beste getoond door middel oppervlak representatie (Figuur 3C). DNA zal een pad rond de histon octameer in kaart te brengen om een ​​10 nm diameter nucleosoom core deeltje. Het pad van DNA kan het beste worden weergegeven door drukken twee verschillende modellen en met behulp van een flexibel filament voor DNA (Figuur 3D). Nucleosoom kerndeeltjes stackbij elkaar om een ​​hogere orde samenstel, een 30 nm diameter "vezel" een linkshandige suprahelical structuur. Om zo goed mogelijk te illustreren hoe de 10-nm nucleosomen kerndeeltjes kan stapelen tot een 30-nm chromatine assemblage, print individu "di-nucleosoom" deeltjes (figuur 3E) te vormen en vervolgens stapel ze na het printen (figuur 3F).

Zodra beheerst de enkelvoudige extrusie oppervlak lint workflow bovenbeschreven staand aan een reeks van atomaire, moleculaire en samengestelde modellen, zie figuur 4. Combineer bijvoorbeeld oppervlak en lint representaties uit elkaar verschillende delen van een complex (zie DNA polymerase, figuur 4B) ingesteld. Maak meer leerzaam en aansprekende modellen met behulp van een dubbele extrusie-printer die twee gloeidraden tegelijk kan smelten in een enkel 3D-object (zie Figuur 4C). Als alternatief, verf delen van de modellen (zie Guanine en de alfa-helix, figuur 4A). Print en monteer de subeenheden van een eiwitcomplex, zoals de natrium-kanaal, of neem het nog verder door het afdrukken van afzonderlijke delen van een complex en monteren ze later in een grotere, multi-color model (zie de HIV-antilichaam en ribosomale complexen, figuur 4C). Dergelijke samengestelde modellen beter kunnen functionele eigenschappen vertonen als afzonderlijk filament prints. Verschillende kleuren kunnen benadrukken, bijvoorbeeld glycosylering versus eiwit (HIV-model) of RNA versus eiwit (zie ribosoom model, figuur 4C). Ze laten ook voor de creatie van educatieve 3D-puzzels, zoals het antilichaam binding aan het HIV oppervlak (zie gp120 gebonden door antilichaam, Figuur 4C), waarbij slechts één 3D-configuratie zorgt voor een nauwe pasvorm van beide delen. Instructies over het afdrukken van deze modellen zijn te vinden in supplement 5. Daarnaast hebben we een extra video ter illustratie van de bouw van een 3D-model van th voorziene Fo / F1 ATP synthase proton die in stukken is gedrukt en op zodanige wijze dat zij de draaimechanisme die tijdens deze enzymen katalytisch mechanisme kunnen recapituleren.

Figuur 1
Figuur 1. Workflow voor te bereiden en af te drukken een 3D-model. Geïllustreerd zijn de fasen produceren van een fysieke 3D biomoleculaire drukken: (i) het bereiden van het model, met inbegrip van het selecteren van de voorstelling; (Ii) het openen van een opgeslagen stl bestand van het model en het verwerken van het bestand met het snijden software; (Iii) het afdrukken van het model en de keuze van het materiaal of filament; en tenslotte, (iv) het uitvoeren van de na-productiestappen.Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2. Visuals van verschillende representaties van de modellen in verschillende stadia van voorbereiding. Bovenste rij: Common voorstellingen van twee modellen (ubiquitine (VOB 1UBQ) en arginine) gevisualiseerd met behulp van het programma Chimera. Middelste rij: De drukkerij toolpath gegenereerd uit de Chimera STL modellen, gekleurd door de feature type van ubiquitine en arginine (oranje: infill patroon; donkerblauw: buitenschaal; lichtblauw: innerlijke shell). Onderste rij: Final prints van ubiquitine en arginine. Oppervlak en twee lint modellen van ubiquitine gedrukt bij 300% van de standaard STL Chimera uitgang (Chimera standaard 1 nm in het model en 1 cm in druk), terwijl de arginine model wzoals afgedrukt 1000%. De Chimera standaard lint of stok modellen zijn te dun om goed af te drukken, maar verdikte versies zullen op betrouwbare wijze af te drukken. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3. Nucleosome case study. (A) Single-histon H3 eiwit gemaakt door verdikking "linten", gedrukt op 300%. (B) histon H3 eiwit "oppervlak" vertegenwoordiging, gedrukt op 200%. (C) histoneiwit octameer gedrukt op 100%. (D) histon eiwit octameer (oranje) in complex met flexibele DNA (wit) gedrukt op 100%. (E) Dinucleosome oppervlak model bedrukt met een straal standaard sonde en afgedrukt op 100% schaal. (F) A model van het chromatine "30-nm vezel" gecreëerd door het handmatig stapelen van individueel bedrukte modellen van de "10-nm" dinucleosome, waarbij het oppervlak werd teruggegeven met een straal sonde van 3 A, gedrukt op 50% en 25% formaten en hield samen met Play-Doh. 3D prints werden gegenereerd op basis van een model van de dinucleosome (VOB 1ZBB). Alle modellen zijn vrij beschikbaar voor download op de NIH 3D Print Exchange 11. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 4
Figuur 4. Voorbeelden van 3D-modellen geproduceerd met gedrukte filament printers. (A) Links, een bal-en-stok model van watermoleculen in zeshoekige ijskristallen (dual-filament druk). Midden, model van een nucleotide (guanine). Rechts, een eiwit alpha h elix backbone-only model toont waterstofbruggen (zwart). Guanine en de alfa-helix werden met de hand ingekleurd met sharpies. (B) Links, natrium-kanaal, dat bestaat uit 4 subeenheden die kunnen worden samengevoegd (VOB 3E89). Midden, Plasmodium falciparum L-lactaatdehydrogenase (VOB 1T2D) afgedrukt als linten. Recht model van het DNA polymerase actieve plaats (VOB 1KLN), met DNA als oppervlak eiwit als linten. (C) Links, HIV lipide envelop met glycoproteïne (VOB 5FUU) gebonden door antilichamen (VOB 1IGT), gedrukt op 15%. Midden, detail van het glycoproteïne antigeen oppervlak op 150%, waarbij het variabele gebied van de linten getoond als (VOB 5FYJ) antilichaam. Recht, modellen van de bacteriële 70S Ribosoom (VOB 4V5D) 40% en 20%. Percentages hebben betrekking op standaard Chimera output, waarbij 100% betekent dat 1 nm in het molecuul wordt afgedrukt als 1 mm. Alle modellen zijn vrij beschikbaar voor download op de NIH 3D Print Exchange 11.oad / 55427 / 55427fig4large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussion

Fysieke 3D-modellen van biologische moleculen zorgen voor een krachtige aanvulling op meer gebruikelijke computer-gebaseerde methoden van visualisatie. De extra eigenschappen van een fysieke 3D-weergave bijdragen aan het intuïtief begrip van de biomoleculaire structuur. De constructie van fysieke 3D modellen van biomoleculen kunnen hun studie vergemakkelijkt door het gebruik van een medium die gebruik maken van goed ontwikkelde vormen van menselijke gewaarwording neemt. 3D-modellen niet alleen dienen als hulpmiddel voor de onderzoeker, maar kan worden gebruikt voor pedagogische activiteiten te vergemakkelijken en kan het bereiken verhogen van leerresultaten 13, 14, 15. Magneten kunnen worden toegevoegd aan plastic modellen om voor montage en demontage, zoals getoond met een model van polypeptiden 16. Ook kunnen 3D geprint voorwerpen gebruikt voor onderzoek, zowel in de productie van laboratoriumapparatuur 17, alsmede microfl makenuidic apparaten voor de cellen 18 en modellen van kristallen 19 of neuronen 20. De manipulatie van de fysische modellen kan dienen om collaboratieve discussies die nieuwe inzichten kunnen inspireren promoten.

Recente ontwikkelingen in 3D druktechnologieën en vermindering van de kosten van printers maakt de creatie van complexe fysieke 3D modellen van biomoleculen door een individuele gebruiker. Hoewel FFF printtechnologie vaker en goedkoper dan andere methoden, het vormt een aantal beperkingen. De 3D printen is tijdrovend en mechanische storingen voordoen. FFF printers kunnen meestal alleen afdrukken één materiaal per onderdeel, het beperken van de weergave van kleur informatie. De resolutie van de modellen die op FFF printers is laag, ongeveer 100 micrometer per laag. Wij adviseren de lezer om te werken met deze beperkingen en een aanpak om hun printer en biomolecuul (s) van belang te ontwikkelen. We hebben de proce gepresenteerdsses nodig is voor een gebruiker om een ​​aangepaste 3D-weergave van hun biomolecuul van belang dat nauwkeurig, informatief, en afdrukbare ontwikkelen. Zoals met elke nieuwe technologie, zijn er vaak "groeipijnen" die moeten worden overwonnen tijdens het gebruik ervan. Wij bieden verschillende voorbeelden waarin problemen kunnen voordoen bij het proces van 3D printing biomoleculen (zie bijlage 6).

Tot slot, door middel van dit artikel, is het ons doel om bij te dragen aan de groei van een gemeenschap van gebruikers die zich bezighouden met het 3D-printen van biomoleculen. Belangrijk is, heeft de NIH een database opgericht voor het publiek om 3D-modellen te delen en de methoden die worden gebruikt om ze 10 te drukken. Wij moedigen deelname aan deze unieke bron (zie bijlage 7 voor instructies over het uploaden van een 3D-model print en achtergrondinformatie bij de 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