3D-utskrift av biomolekylære Modeller for forskning og pedagogikk

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 av funksjonen og aktiviteten til et biomolekyl krever bestemmelse av den tre-dimensjonale (3D) struktur. Dette oppnås rutinemessig ved hjelp av røntgen-krystallografi, NMR, eller elektronmikroskopi. 3D-strukturer kan forstås gjennom persepsjon av modeller, eller nøyaktige gjenstander som ligner de strukturene som de representerer en. Historisk bygging av fysiske 3D-modeller var nødvendig for etterforskere å validere, utforske og kommunisere de resulterende hypoteser om funksjon av biomolekyler. Disse modellene, som Watson-Crick DNA dobbeltspiralen og Pauling alfa heliks, gitt unik innsikt i struktur-funksjon relasjoner og var sentral i vår tidlig forståelse av nukleinsyre og protein struktur-funksjon 2, 3, 4. Selv komplekse protein og nukleinsyre modeller kan opprettes, dentid og kostnadene ved å bygge en fysisk modell ble til slutt oppveies av relativ enkel dataassistert molekylær visualisering.

Utviklingen av 3D-trykking, også kjent som tilsetningsmiddel produksjon, har igjen gjort det mulig konstruksjon av fysiske modeller av biomolekyler 5. 3D-utskrift er prosessen for fremstilling av en fysisk, 3D-objekt fra en digital fil ved sekvensiell tilsetning av lag av et materiale (r). En rekke mekanismer er benyttet i denne prosessen. Inntil nylig, maskiner som brukes for å fremstille fysiske modeller av biomolekyler var for dyre til å bli mye brukt. Men i det siste tiåret, 3D-utskrift teknologi, smeltet filament fabrikasjon (FFF) i særdeleshet, har avansert betydelig, noe som gjør den tilgjengelig for privat bruk 6. FFF skrivere er nå allment tilgjengelig i videregående skoler, biblioteker, universiteter og laboratorier. Jo større kostnader og tilgjengelighet av 3D-utskrift teknologihar gjort det mulig å konvertere digitale 3D biomolekylære modeller i nøyaktige, fysiske 3D biomolekylære modeller 7, 8, 9. Slike modeller omfatter ikke bare enkle fremstillinger av enkelt biomolekyler, men også komplekse makromolekylære sammenstillinger, slik som ribosom og virus kapsidbindende strukturer. Men prosessen med å skrive individuelle biomolekyler og makromolekylære forsamlinger gir flere utfordringer, spesielt når du bruker termopressmetoder. Spesielt representasjoner av biomolekyler har ofte komplekse geometrier som er vanskelig for skrivere til å produsere og lage og behandle digitale modeller som vil skrive ut med hell krever dyktighet med molekylær modellering, 3D-modellering og 3D-skriverprogramvaren.

3D-arbeidsflyt for å skrive ut en biomolekyl bredt skjer i fire trinn: (1) forbereder en biomolekylære modell fra sin koordinere fil for 3D-utskrift;(2) å importere biomolekylære modellen til en "slicing" programvare for å segmentere modellen for skriveren og til å generere en støttestruktur som vil fysisk støtte opp biomolekylære modell; (3) å velge riktig filament og skrive ut 3D-modellen; og (4) post-produksjon bearbeidelsestrinn, inkludert fjerning av støttemateriale fra modellen (figur 1 og 2). Det første trinnet i denne prosessen, beregningsmessig manipulering koordinatsystemet fil av biomolekyl, er kritisk. På dette stadiet, kan brukeren bygge modell forsterkninger i form av struts, samt fjerne strukturer som er overflødig til hva brukeren velger å vise. Dessuten er valget av representasjonen gjort på dette stadium: om å vise alle eller deler av biomolekyl som en overflaterepresentasjon, bånd og / eller de enkelte atomer. Når de nødvendige tillegg og / eller subtractions innhold er gjort og representasjon er valgt, er strukturen lagres som en 3D-model fil. Deretter blir filen åpnet i et annet program for å konvertere modellen til en 3D print fil som kan skrives ut, lag på lag, i en plast kopi av biomolekyl.

Målet med vår protokollen er å gjøre produksjon av molekylære modeller tilgjengelig for et stort antall brukere som har tilgang til FFF skrivere, men ikke til dyrere 3D utskrift teknologier. Her gir vi en guide for 3D-utskrift av biomolekyler fra 3D molekylære data, med metoder som er optimalisert for FFF utskrift. Vi detalj hvordan å maksimere trykkbarhet av komplekse biomolekylære strukturer og sikre enkel etterbehandling av fysiske modeller. Egenskapene til flere vanlige utskriftsmaterialer eller filamenter sammenlignes, og anbefalinger om deres bruk for å skape fleksible utskrifter er gitt. Til slutt, presentere vi en rekke eksempler på 3D-trykt biomolekylære modeller som viser bruk av ulike molekylære representasjoner.

Protocol

1. Klar 3D modell filer for utskrift

MERK: 3D-modell filer av biomolekyler kan genereres gjennom to metoder: (1) på nettet ved hjelp av automatiserte verktøy av NIH 3D Print Veksling 10, eller (2) lokalt ved hjelp av molekylær modellering programvare. Automatisk genererte modellene vil bruke de prosessene som er beskrevet i denne protokollen for å lage utskrivbare representasjoner, men detaljer om representasjon kan ikke velges av brukeren. I kontrast, tillater tilpasset modell generasjon brukeren kontroll over de visuelle egenskapene til biomolekyl. Individuelle atomer, rester, og obligasjoner kan vises, og omfanget av bånd, obligasjoner, og struts kan spesifiseres. Den NIH 3D Print Veksling automatiserte verktøy og protokollen under begge bruker UCSF Chimera, en fri og åpen kildekode molekylær modellering programvarepakke 11 som er godt egnet til å eksportere 3D filer av biomolekyler. Alle 3D-filer eksporteres av Chimera bruk Ångstrøm foravstanden enhet. Når disse filene er importert til en slicing programvare på 1 mm / distanse enhet, vil modellene bli skalert til 10 millioner ganger forstørrelse.

  1. Automatisk generere et 3D utskriftsvennlig modell med NIH 3D Print Veksling
    MERK: NIH 3D Print Veksling går Chimera skript, som ligner på trinnene beskrevet i trinn 1,2-1,3.
    1. Finn den molekylære datafil av biomolekylære struktur for å skrive ut fra en database-enten PDB, EMDB, eller pubchem (supplement 1.1). Spill sjonsnummer for biomolekyl av interesse.
    2. Naviger til NIH 3D Print Exchange (3dprint.nih.gov) og opprette en ny brukerkonto, hvis en førstegangsbruker.
    3. Naviger til "Quick Send" -funksjonen, skriv biomolecule tiltredelse kode, og klikk OK.
    4. Når du har generert modellen av biomolekyl, navigere til modellen siden og laste ned biomolecule STL filen i "bånd"Eller" overflaten "representasjon. Fortsett til § 2 i protokollen.
  2. Generer en tilpasset molekylær modell med UCSF Chimera
    MERK: Greater detalj om hvordan du bruker Chimera for å lage 3D-modeller, inkludert kommandolinjealternativ til mange trinn, kan bli funnet i supplement 1.2.
    1. Last ned og installer UCSF Chimera (https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html).
    2. Ved hjelp av Chimera, hente den molekylære data fil ved å gjøre ett av følgende:
      1. Bruke verktøylinjen kommandoen Fil> Hent etter ID, skriv en pubchem, PDB, eller EMDB tiltredelse kode for å hente filen direkte fra databasen.
      2. Ved hjelp av kommandoen verktøylinjen Fil> Åpne, hente en lokal molekylær datafil; som standard, vil molekylet vise bånd for protein og nukleinsyre, atomer og obligasjoner for ligander, og rester innen 5 Å for en ligand.
      3. Bruke Chimera kommandolinjen, nås ved å gå til Favoritter> Command Line, bruke kommandoen Åpne og angi tiltredelse koden.
  3. Forbereder en 3D-print representasjon av en biomolekyl
    MERK: Det er flere måter som en biomolekylære struktur kan vises eller representert. Valget av en bestemt representasjon for utskrift bør gjøres basert på hvordan man best kan gi størst innsikt i biomolekyler struktur-funksjon. Vanligvis brukes representasjoner inkludere "bånd", "flate" og "atomer / obligasjoner." Men det er best å utforske ved hjelp av en kombinasjon av disse representasjonene å vise utvalgte sidekjeder eller ligander. I tillegg bør 3D-trykt struktur være robust nok til å bli skrevet ut og til ikke å brekke når det håndteres. Derfor er det viktig å vurdere dette ved valg av en representasjon eller vise en sidekjede. Also vurdere å innføre støtte strukturer, eller "struts." Til slutt, når du skriver modellen, vil det være viktig å skalere det slik at alle funksjoner skal skrives ut riktig. Derfor, for større biomolekyler, skriver helt i bånd eller atom representasjoner er kanskje ikke mulig på grunn av skalaen der disse måtte skrives.
    1. Generere et 3D-print representasjon i "bånd"
      Merk: Flere detaljer kan bli funnet i supplement 1.2.1.
      1. Velge den synlige "løsningsmiddel", som inneholder ioner, ved hjelp av Velg> Struktur> løsningsmiddel.
      2. Skjul valgte "løsemiddel" ved hjelp av Handlinger> Atomer / Obligasjoner> Skjul.
      3. Tykkere diameteren av båndet, slik at den kan bli skrevet ut. Bruk Ribbon Style Editor-menyen under Verktøy> Visning.
        MERK: Suggested parametere for et første forsøk: under fanen Skalering, endre høyde hvert element til minst 0,7 og bredden på hver innstilling til minst følgende: Coil 0,7; Helix 1,4; Sheet: 1,4; Arrow (base): 2,1; Arrow (tip) 0,7; Nucleic 1.0.
      4. Hvis en nukleinsyre er tilstede, endre basen representasjon med Handlinger> Atomer / Obligasjoner> nucleotide gjenstander> Innstillinger. Endre sukker / base-skjerm for å stige og rung radius til 0,6.
      5. Valgfritt: Gå videre til trinn 1.3.3 til å innføre støttestrukturer.
    2. Generere et 3D-print "overflaten" representasjon av molekylet
      MERK: Flere detaljer kan bli funnet i supplement 1.2.2.
      1. Skjul alle tidligere representasjoner. Bruk Handlinger> atomer / Obligasjoner> skjule og Handlinger> Ribbons>gjemme seg.
      2. Når rende atomer som kuler, justere radius ved å velge ønsket atom (er) og går til Handlinger> Inspiser menyen.
        MERK: Endre standard atomradius kan gjøre det lettere å skille mellom forskjellige atomtyper i den trykte modell.
      3. Skjule vises bånd, atomer, obligasjoner og pseudobonds ved hjelp Handlinger> Atomer / Obligasjoner> Hide and Handlinger> Ribbons> Skjul.
      4. Dersom overflaten detalj er ønskelig, tilsett hydrogenatomer slik at beregningen overflaten er mer nøyaktig. Bruk Verktøy> Struktur redigering> AddH.
      5. Generere en overflate ved å surfe # 0 grid 0,5 i kommandolinjen.
    3. Generere et 3D-print representasjon i "atomer / obligasjoner."
      MERK: Flere detaljer kan bli funnet i supplement 1.2.3.
      1. Skjul løsemiddel. BrukVelg> Struktur> løsemiddel og deretter Handlinger> Atomer / Obligasjoner> skjule.
      2. Vis spesifikke rester og / eller ligander i representasjonen som atomer og bindinger ved å velge og vise dem med Handlinger> Atomer / Obligasjoner> showet. Måten atomer er representert kan endres i Handlinger> Atomer / Obligasjoner dropdown ved å velge pinne, ball og pinne, eller sfære.
      3. Når du har gjort et valg, øke radius av pinnen eller ballen og stokk representasjoner med Handlinger> Inspiser menyen.
      4. Valgfritt: Gå videre til trinn 1.3.4 til å innføre støttestrukturer.
  4. Legge strukturell støtte til en 3D-print representasjon
    MERK: Flere detaljer kan bli funnet i kosttilskudd 1.2.4 og 1.2.5. På dette stadium kan avstiverne tilsettes til 3D-modellen. Det anbefales for alfa-helikser og beta-ark sekundære strukturer for å inkludere ryggraden hydrogenbindinger for stabilitet, selv om små proteiner (dvs. mindre enn 50 rester) er ofte representert som et bånd med en typisk tykkelse og kan skrive godt uten slik støtte. Imidlertid, for større proteiner, selv med tilsetning av hydrogenbindinger, er mange bånd modeller er fortsatt for skjøre til å bli skrevet ut. Struts er fysiske forbindelser innenfor modellen som ikke gjenspeiler noen molekylære eiendom, men legger til mekanisk styrke, og dermed tilrettelegge for utskrift og håndtering. Chimera tilbyr en rask måte å automatisk legge struts til en modell med staget kommando via kommandolinjen, og enkelte struts kan også være manuelt vises ved hjelp av Avstander verktøyet.
    1. Vis hydrogenbindinger til å forberede et kraftigere trykk. Bruk menyen Verktøy> Struktur Analyse> FindHBond.
    2. Bruk Verktøy> Generelt Controls> PseudoBond Panel å endre hydrogenbindinger. Velg "hydrogen obligasjons" pseudobonds Klikk på knappen attributter og sjekke "Component PseudoBond attributter" boksen. I det nedre panelet, endre bindingen stilen fra ledning til å feste og radius verdi 0,2 til 0,6.
    3. Valgfritt: Legg støttestruktur (e), eller "struts," ved hjelp av struts kommandoen. For å lage blå struts med en radius på 1,0 Å i karbon alfa av hvert 70. rester ikke lenger enn 8 Å hverandre, bruker du kommandoen: struts @ca lengde 8 sløyfe 70 fargen blå rad 1,0 fattenRibbon falsk.
    4. Valgfritt: Hvis du vil lage individuelle struts med Avstander verktøyet, velger du to atomer av shift-ctrl-klikke på hver av dem, bruke Verktøy> Struktur Analyse> Avstander, og klikk på Opprett for å legge til en pseudobond. Navigate til PseudoBond Panel, velge "avstand monitor" pseudobonds Klikk på knappen attributter, og sjekke "Component PseudoBond attributter" boksen. I det nedre panelet, endre bindingen stilen fra ledning til å feste og radius verdi 0,2 til 0,01.
    5. Eksportere Chimera gjengivelse som en STL 3D-modell fil
      1. Når ønsket representasjon er oppnådd, til bruk File> Export Scene eksportere 3D-filen. Velg STL som filtype og navn og lagre modellen. Merk: Denne STL filen kan repareres, orientert, og skrives ut som beskrevet i punkt 2 i protokollen.

2. Process STL filer for utskrift

  1. Reparasjon STL-filer med Autodesk Netfabb
    MERK: En modell kan kreve reparasjon når det inneholder flere overlappende stykker med intersecting geometrier, noe som er vanligvis tilfelle med båndmodeller og atommodeller. Overlappende geometri kan føre til feil når filen blir lest av noen slicing programvare, som kryssende regioner kan tolkes som utsiden av modellen. Flere detaljer kan bli funnet i supplement 2.1.
    1. Last ned og installer Standard-versjonen av programvaren.
    2. Åpne programmet og importere STL fil som skal repareres. Hvis det er problemer med mesh, vil en advarsel tegn vises.
    3. Bruk Ekstra> Automatisk Part reparasjon, velg Utvidet reparasjon, og vent mens filen er behandlet; for små modeller, vil dette ta sekunder, men for store modeller, kan det ta minutter.
    4. Høyreklikk på modellen og velg Export Part> Som STL eller bruke Prosjekt> Export Prosjekt som STL å redde reparert modell; Programmet vil legge "reparert" tilfilnavn for å skille den fra den opprinnelige filen.
  2. Orient modeller for utskrift med Autodesk Meshmixer
    MERK: Optimal orientering av en modell før slicing vil redusere antall overheng og dermed antall støtter kreves under trykkeprosessen. En optimalt orientert modell vil skrives ut raskere, bruker mindre materiale, og være mindre sannsynlighet for å mislykkes under utskrift. Flere detaljer kan bli funnet i supplement 2.2.
    1. Last ned og installere programvare
    2. Importer reparert STL-filen inn i programmet.
    3. Velg Analyse> Orientering.
    4. Justere styrken Vekt verdi til 100, Support Vol Vekt verdien til 0, støtteområde Vekt til 0, og deretter oppdatere modellen. Dette vil rotere modellen for å minimere antall overheng. Godta den resulterende orientering.
    5. Bruk Fil> Eksporter og velg binær STL fil fra rullegardinmenyen. Lagre filen.

3. Kutting og utskrift

  1. Velg en glødetråd materiale
    MERK: Valget av en utskriftsmaterialer bør gjøres før du bruker en slicing programvare, som utskriftsinnstillingene vil variere for det valgte materialet. De tre materialene som er mye brukt er polymelkesyre (PLA), termoplastiske elastomerer (TPE), og akrylonitril-butadien-styren (ABS). PLA er vanligvis den mest effektive materiale til å skrive ut detaljerte molekylære modeller, som den kjøler raskt, kleber godt til oppbygging plate, og sjelden fordreininger. TPE er et materiale som ligner på PLA og kan anvendes for å fremstille fleksible modeller. Det anbefales for utfyllende protein overflatemodeller eller protein bånd modeller. ABS er sterkere og mer fleksibel enn PLA, men den produserer potensielt farlige partikler under utskrift 12. Det er generelt ikke anbefalt for utskrift molekylære modeller, som de høyere materialtemperatur fører til less presis produksjon av små funksjoner. Flere detaljer kan bli funnet i supplement 3.1.
    1. Skrive ut med polymelkesyre (PLA).
      1. Still dysen temperaturen til 210 ° C. For å sikre adhesjonen av delen til seng, sett sjikttemperaturen til 70 ° C. Hvis du bruker en uoppvarmet seng, dekker den med malertape. Bruk aktiv kjøling.
    2. Skrive ut med termo elastomerer (TPE)
      1. Gjenta trinn 3.1.1.1. Sett utskriftshastigheten til 1200 mm / min eller mindre.
    3. Skrive ut med akrylnitril-butadien-styren (ABS)
      1. Bruk ikke kjøling. Still dysen temperaturen til 240 ° C. For å sikre adhesjonen av delen til seng, sett sjikttemperaturen til 110 ° C.
  2. Generere G-kode
    MERK: Modellen vil bli importert til 10 millioner ganger forstørrelse som standard. Ribbon modeller skal skaleres til 20 millioner ganger (200%) eller større. Overflate modeller print bra på 100% eller mer. Flere detaljer kan bli funnet i supplement 3.2.
    1. Last ned og installer utskrift slicing programvare.
    2. Bruk Fil> Import modell og velger reparert og orientert STL-fil.
    3. Skalere modellen ved å dobbeltklikke på den modellen og angi skaleringsfaktor i vinduet på høyre side av skjermen.
    4. Generer støttestrukturer for modellen. Velg støtte ikonet og bruke vanlige støtter, med en søyle oppløsning på 1 og en maks overheng vinkel på 50 °.
    5. Klikk generere alle støtter. Legg til eller fjern støtte struktur funksjoner for å tilpasse støtte plassering.
    6. Velg en prosess, og klikk redigere prosess innstillinger.
    7. Konfigurer profilen for skriveren og materialet som brukes.
      MERK: En flåte og brem bør inkluderes, og bånd modeller skal skrives ut på 100% fylling. Detaljerte profilinnstillinger kan bli funnet i supplement 3.2.
    8. Konverter modellen inn i en G-kode fil som kan leses av skriveren. Klikk på "forberede seg til å skrive" -knappen og velg prosessen med skriveren / materialet profil. Observer banen til skriveren munnstykket og inspisere den for feil som kan føre til en utskrifts å mislykkes.
      MERK: Feil som kan føre til at utskrifts mislykkes omfatte fravær av støttebukker under overheng, uønskede hulrom, manglende lag, eller områder som er for tynne til å skrive ut.
    9. Lagre G-kodefilen til skrivebordet eller direkte til et SD-kort.
  3. Bruke skriveren
    MERK: Hver skriver merke eller modell er unik, og dens forberedelser og kalibrering for utskrift vil variere tilsvarende. Se håndboken for skriveren.
    1. Kontroller at arbeidsstasjonen er koblet til skriveren, eller at SD-kort med GCODE er i skriveren.
    2. Klargjør skriveren ved å laste filament og at sengen er nivå;for instruksjoner om disse prosedyrene, se bruksanvisningen til skriveren.
    3. Start utskrifts fra datamaskinen eller lokalt fra et SD-kort via skrivermenyen.
    4. Se print til et første lag er fullført. Hvis det er noen feil i det første laget, avbryte og starte utskriften.

4. Post-produksjon Processing

MERK: Stell av kurset bør tas på dette, den siste, scenen. Bærende konstruksjoner på modellen bør fjernes. Dette er vanligvis gjort manuelt, selv om alternative fremgangsmåter, slik som anvendelse av en oppløselig støtte, kan anvendes; se vedlegg 4.

  1. Løsne print fra bygge platen ved å trekke det forsiktig sidelengs. Hvis flåten fester seg sterkt til oppbygging plate, separere det ved å sette inn en skarp kant mellom dem.
  2. Fjern støttestrukturer fra modellen. Mange bærere kan fjernes for hånd, ved å bryte dem ut av delen og den raft. Fleksible modeller kan tas av ved å trekke dem bort fra den delen. For støtter som er vanskelige å nå, eller er knyttet til skjøre strukturer, bruke avbitertang for å klippe det punktet hvor støtten kobles til del.

Representative Results

Stabile og informative 3D utskrivbare modeller av biomolekyler kan fremstilles ved: (i) jevning obligasjoner for å gi stabilitet, (ii) nøye med å velge den sekundære strukturen representasjon type eller stil som ville gi størst innsikt og stabilitet, (iii) å skrive ut biomolekyl i mer enn en molekylær representasjon, (iv) ved hjelp av en glødetråd som vil gjengi hele eller deler av et biomolekyl fleksibel, eller (v) dannelse av en kompleks sammenstilling som er modulbasert (dvs. i tilkoblingsbare stykker).

For å illustrere hvordan du skriver ut slike informative og stabile modellene fokuserte vi på komponentene i kromatin og på å produsere en hypotetisk modell av kromatin. Chromatin er en svært komplisert protein-DNA montering. Den grunnleggende protein subenhet av kromatin er histone protein. Det er fire histonproteinene, som hver består av en helix-loop-helix (en "histon fold") etterfulgt av en utvidet alfaheliks og en andre "histon fold". Histon proteinstruktur kan lett fremstilles ved hjelp av et "bånd" representasjon (figur 3A). Alternativt kan den histon proteinstrukturen bli vist ved hjelp av bare dets overflate (figur 3B). Det er to kopier av hver av de fire histonproteinene som går sammen for å danne et kuleformet histon octamer. Den histone octamer er for stor til å skrive ut helt som et bånd eller pinne representasjon, på grunn av større skala der disse funksjonene må skrives ut. Således er for eksempel et stort proteinsammenstilling beste vises ved hjelp av overflaterepresentasjon (figur 3C). DNA vil stake ut en bane rundt histone octamer å danne en 10 nm-diameter nucleosome kjernepartikkel. Banen til DNA kan best vises ved å skrive to separate modeller og bruke et fleksibelt filament for DNA (figur 3D). Nucleosome kjernepartikler stablepå hverandre for å danne en høyere ordens sammenstilling, en 30 nm-diameter "fiber", en venstrehendt suprahelical struktur. For å best illustrere hvordan 10-nm nucleosome kjernepartikler kan stable å danne en 30-nm kromatin montasje, print individuelle "di-nucleosome" partikler (Figur 3E) og deretter stable dem etter utskrift (figur 3F).

Når mestret enkelt ekstrudering overflate og båndet arbeidsflyt som er beskrevet ovenfor, noe som gjør utforske en rekke atom, molekyl, og kompositt-modeller, som vist i figur 4. For eksempel kombinere overflate og bånd representasjoner til å besk forskjellige deler av en sammensatt (se DNA-polymerase, figur 4B). Gjør mer lærerike og tiltalende modeller ved hjelp av en dual ekstrudering skriver som kan smelte to filamenter samtidig i ett enkelt 3D-objekt (se Figur 4C). Alternativt maling deler av modeller (se Guanine og den alfa-helix, figur 4A). Skriv ut og montere underenheter av et proteinkompleks, som natriumkanalen, eller ta det enda lenger ved å skrive ut forskjellige deler av en kompleks og montering dem senere inn i en større, multi-fargemodell (se HIV-antistoff og ribosomale komplekser, figur 4C). Slike sammensatte modeller er bedre i stand til å vise funksjonelle egenskaper i forhold til enkeltfilament utskrifter. Forskjellige farger kan fremheve, for eksempel glykosylering sammenlignet med protein (HIV-modell) eller RNA versus protein (se ribosom-modell, figur 4C). De er også mulig for etablering av pedagogiske 3D puslespill, som antistoff binding til HIV overflaten (se gp120 bundet av antistoff, figur 4C), hvor bare en 3D konfigurasjonen gir en tett passform for begge deler. Instruksjoner om utskrift av disse modellene kan bli funnet i supplement 5. I tillegg har vi gitt en supplerende video som illustrerer bygging av en 3D-modell av thFo / F1 proton ATP-syntase som ble trykt i stykker og satt sammen på en slik måte slik at den kan rekapitulere den roterende mekanisme som oppstår i løpet av denne enzymene katalytiske mekanisme.

Figur 1
Figur 1. Arbeidsflyt for å forberede og skrive ut en 3D-modell. Illustrert er de stadier i produksjon av en fysisk 3D biomolekylære print: (i) forbereder modellen, herunder valg av representasjon; (Ii) å åpne en lagret STL fil av modellen og behandle filen ved hjelp slicing programvare; (Iii) utskrift av modell og valg av materiale eller filament; og til slutt, (iv) å utføre post-produksjonstrinn.Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Visuals av ulike representasjoner av modeller på ulike stadier av forberedelse. Øverste rad: Vanlige fremstillinger av to modeller (ubiquitin (PDB 1UBQ) og arginin) visualisert ved hjelp av programmet Chimera. Midterste rad: Utskrifts toolpath generert fra Chimera STL modeller, farget av funksjonen type ubiquitin og arginin (oransje: infill mønster, mørk blå: ytre skall, lyseblå: indre skall). Nederste rad: Avsluttende utskrifter av ubiquitin og arginin. Surface og to bånd modeller av ubiquitin trykt på 300% av standard Chimera STL-utgang (Chimera Standard er en nm i modellen og 1 cm i print), mens arginin modell wsom skrives ut ved 1000%. Chimera standard bånd eller stokk modellene er for tynne til å skrive ut riktig, men fortykket versjoner vil skrive ut en pålitelig måte. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. nucleosome case study. (A) Single-histon H3 protein gjengitt av jevning "bånd", trykt på 300%. (B) Histone H3 protein "overflaten" representasjon, trykt på 200%. (C) Histone protein octamer trykt på 100%. (D) Histone protein octamer (orange) i kompleks med fleksibel DNA (hvit) trykt på 100%. (E) Dinucleosome overflate modell skrives ut med en standardsonden radius og trykt på 100% skala. (F) En mOdel av kromatin "30-nm fiber" laget av manuell stabling individuelt trykte modeller av "10-nm" dinucleosome, hvor overflaten ble gjengitt med en sonde radius på 3 Å, trykket ved 50% og 25% størrelser, og holdt sammen med Play-Doh. 3D-utskrifter ble generert fra en modell av dinucleosome (PDB 1ZBB). Alle modeller er fritt tilgjengelig for nedlasting på NIH 3D Print Exchange-11. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Eksempler på 3D-trykt modeller produsert ved hjelp av gløde skrivere. (A) Venstre, en ball-og-stick modell av vannmolekyler i sekskantede iskrystaller (dual-filament print). Middle, modell av et nukleotid (guanin). Høyre, et protein alfa h Elix ryggrad-only modell som viser hydrogenbindinger (svart). Guanin og alfa heliks ble farget manuelt med sharpies. (B) Venstre, natriumkanalen, består av 4 subenheter som kan slås sammen (PDB 3E89). Middle, Plasmodium falciparum L-laktat dehydrogenase (PDB 1T2D) skrevet ut som bånd. Høyre, modell av DNA polymerase aktive området (PDB 1KLN), viser DNA som underlag og protein som bånd. (C) Venstre, HIV lipid konvolutt med glykoprotein (PDB 5FUU) bundet av antistoffer (PDB 1IGT), trykte på 15%. USA, detalj av glykoprotein antigen overflate på 150%, med den variable region av antistoffet vist som bånd (PDB 5FYJ). Høyre, modeller av bakterielle 70S ribosomet (PDB 4V5D) på 40% og 20%. Prosenttallene til standard Chimera utgang, der 100% betyr en nm i molekylet utskrifter som 1 mm. Alle modeller er fritt tilgjengelig for nedlasting på NIH 3D Print Exchange-11.OAD / 55427 / 55427fig4large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Fysiske 3D-modeller av biomolekyler gi et kraftig supplement til mer vanlige databaserte metoder for visualisering. De ytterligere egenskaper ved en fysisk representasjon 3D bidrar til intuitiv forståelse av biomolekylære struktur. Byggingen av fysiske 3D-modeller av biomolekyler kan lette deres studie gjennom bruk av et medium som tar nytte av godt utviklede moduser av menneskelig følelse. 3D-modeller fungerer ikke bare som et hjelpemiddel til forskeren, men kan brukes til å legge til rette for pedagogisk arbeid og kan øke oppnåelse av læringsutbytte 13, 14, 15. Magneter kan tilsettes til plastmodeller for å tillate montering og demontering, slik som vist med en modell av polypeptider 16. Dessuten kan 3D-objekter trykt anvendes i forskning både i produksjonen av laboratorieutstyr 17, så vel som å gjøre microfluidic enheter for celler 18 og modeller av krystaller 19 eller nevroner 20. Manipulering av fysiske modeller kan tjene til å fremme samarbeids diskusjoner som kan inspirere nye innsikter.

Den siste utviklingen i 3D-utskrift teknologier og reduksjon i kostnadene for skrivere muliggjør etablering av komplekse, fysiske 3D-modeller av biomolekyler av en enkelt bruker. Selv om FFF trykking teknologien er mer vanlig og mindre kostbare enn andre metoder, utgjør det en rekke begrensninger. 3D-utskrift prosessen er tidkrevende, og forekommer mekaniske feil. FFF skrivere kan vanligvis bare skrive ut ett materiale per del, begrense visningen av fargeinformasjon. Oppløsningen på modeller laget på FFF skrivere er lav, rundt 100 mikrometer per lag. Vi anbefaler leseren til å arbeide med disse begrensninger og for å utvikle en metode for deres skriver og biomolekyl (er) av interesse. Vi har presentert processes som kreves for en bruker å utvikle en tilpasset 3D-representasjon av deres biomolekyl av interesse som er riktig, informativ og skrives ut. Som med all ny teknologi, er det ofte "voksesmerter" som må overvinnes i løpet av bruken sin. Vi gir flere eksempler hvor problemer kan oppstå i prosessen med 3D-utskrift biomolekyler (se vedlegg 6).

Til slutt, gjennom denne artikkelen, er det vårt mål å bidra til utviklingen av et fellesskap av brukere engasjert i 3D-utskrift av biomolekyler. Viktigere, har NIH etablert en database for publikum å dele 3D-modeller og metoder som brukes til å skrive dem 10. Vi vil sterkt oppfordre til deltakelse i denne unike ressursen (se vedlegg 7 for instruksjoner om hvordan du laster opp en 3D-modell print og bakgrunnsinformasjon 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