Araştırma ve Pedagoji için Biyomoleküler Modelleri 3D Baskı

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

fonksiyonu ve biyo-molekülün aktivitesi tam olarak anlaşılması, üç boyutlu (3D) yapısının belirlenmesini gerektirir. Bu, normalde, X-ışını kristalografisi, NMR, veya elektron mikroskobu kullanılarak elde edilir. 3D yapılar onlar 1 temsil yapıları andıran modelleri, ya da doğru nesnelerin algı yoluyla anlaşılabilir. Araştırmacılar, doğrulamak keşfetmek ve biyomoleküllerin fonksiyonu ile ilgili ortaya çıkan hipotez iletişim için Tarihsel olarak, fiziksel 3D modelleri yapımı gerekliydi. Böyle Watson-Crick'in DNA çift sarmal ve Pauling'in alfa sarmal gibi bu modeller, yapı-işlev ilişkilerinin içine benzersiz bir bakış açısı sağladı ve nükleik asit ve protein yapı-fonksiyon 2, 3, 4 bizim erken anlaşılmasına önemli idi. protein ve nükleik asit modeller oluşturulabilir, ancakzaman ve fiziksel bir model inşa maliyeti sonunda bilgisayar destekli moleküler görselleştirme görece kolay outweighed.

Ayrıca katkı imalat olarak bilinen 3D baskı, gelişimi, biyomoleküllerin 5 fiziksel modeller inşaatı etkin yine etmiştir. 3D baskı bir malzeme (ler) tabakalarının sırayla ilave bir dijital dosyasından bir fiziksel 3D nesne imal edilmesi için bir işlemdir. mekanizmaları çeşitli bu işlem kullanılır. Yakın zamana kadar, biyomoleküllerin fiziksel modeller üretmek için kullanılan makineler yaygın kullanılmak üzere çok pahalı idi. Ancak, son on yılda, 3D baskı teknolojisi, erimiş filament üretim (FFF), özellikle tüketici kullanımına 6 için erişilebilir hale ölçüde ilerlemiştir. FFF yazıcılar artık yüksek okul, kütüphane, üniversiteler ve laboratuvarlarda yaygın olarak mevcuttur. 3D baskı teknolojisi daha uygun fiyatta ve erişilebilirlikMümkün doğru, fiziksel 3D biyomoleküler modeller 7, 8, 9 içine dijital 3D biomoleküler modelleri dönüştürmek için yapmıştır. Bu tür modeller tek biyomoleküllerin basit temsillerini, ama aynı zamanda ribozom ve virüs kapsid yapıları gibi karmaşık makromoleküler meclisleri, sadece içerir. termoplastik çekme yöntemlerini kullanarak, özellikle Ancak, bireysel moleküllere ve makromoleküler meclisleri baskı süreci, çeşitli zorluklar teşkil etmektedir. Özellikle, biyomoleküllerin temsilleri genellikle yazıcılar üretmek için zor ve oluşturma ve başarıyla yazdırmak moleküler modelleme, 3D modelleme ve 3D yazıcı yazılımıyla birlikte beceri gerektirir olacak dijital işleme modelleri olan karmaşık geometrik var.

geniş bir biyomolekülü yazdırmak için 3D iş akışı dört adımda gerçekleşir: (1) 3D baskı için koordinat dosyadan biyomoleküler modeli hazırlanması;(2) modeli yazıcı için ve fiziksel biyomoleküler modeli desteklemek olacak bir destek yapısı oluşturmak için segmentine bir "dilimleme" yazılımı içine biyomoleküler modeli ithal; (3) Doğru filament seçerek ve 3D modeli baskı; ve (4) modelinden destek malzemesinin kaldırılması da dahil olmak üzere post-prodüksiyon işleme aşamaları, (Şekil 1 ve 2). hesaplama, biyomolekülün koordinat dosyası manipüle Bu süreçte ilk adım, kritik öneme sahiptir. Bu aşamada, kullanıcı dikmeler şeklinde model takviye inşa yanı sıra kullanıcı görüntülemek için seçtiği ne yabancı olan yapıları kaldırmak olabilir. Buna ek olarak, temsil seçimi, bu aşamada yapılır: Bir yüzey gösterimi, şeritler ve / veya tek tek atomları biyomolekülün tamamını veya bir kısmını görüntülemek için olup. Gerekli eklemeler ve / veya içerik çıkarmalar yapılır ve temsil seçildiğinde, yapı 3D mo olarak kaydedilirdel dosyası. Sonraki dosya biyomolekülün plastik kopyası içine tabaka ile 3D baskı basılabilir dosyaya, tabaka haline modeli dönüştürmek için ikinci bir yazılım programı açıldı.

Bizim protokol hedefi FFF yazıcılara erişimi değil, daha pahalı 3D baskı teknolojileri olan kullanıcılar çok sayıda moleküler modellerin fabrikasyon erişilebilir hale getirmektir. Burada, FFF baskı için optimize edilmiş yöntemlerle, 3D moleküler verilerden biyomoleküllerin 3D baskı için bir kılavuz sağlar. Karmaşık biyomoleküler yapılarının printability maksimize etmek ve fiziksel modeller basit post-processing sağlamak için nasıl Biz ayrıntı. Birkaç ortak baskı malzemelerinin veya ipliklerin özellikleri karşılaştırılır ve bunların kullanımına ilişkin öneriler esnek baskılar sağlanır oluşturun. Son olarak, biz farklı moleküler temsilleri kullanımını göstermek 3D baskılı biyomoleküler modelleri örnekleri bir dizi vitrin.

Protocol

1. Baskı 3B Model Dosyalarının Hazırlanması

NOT: (1) Online NIH 3D Baskı Borsası 10 otomatik araçları kullanarak, ya da (2) yerel moleküler modelleme yazılımı kullanarak: biyomoleküllerin 3D model dosyaları iki yöntemlerle oluşturulabilir. Otomatik olarak oluşturulan modeller yazdırılabilir temsillerini oluşturmak için bu protokolde ayrıntılı süreçleri kullanacaktır, ancak temsil ayrıntıları kullanıcı tarafından seçilemez. Buna karşılık, özel modeli üretme biyomolekül görsel özellikleri üzerinde kullanıcı kontrolü sağlar. Bireysel atomlar, artıkları ve tahviller görüntülenir ve şeritler, tahvil ölçeği ve dikmeler belirtilebilir edilebilir. NIH 3D Baskı Değişim otomatik araçlar hem aşağıda protokol UCSF Chimera, biyomoleküllerin 3B dosyaları ihraç için uygundur bir ücretsiz ve açık kaynak moleküler modelleme yazılım paketi 11 kullanın. için Chimera kullanım angström tarafından ihraç edilen tüm 3D dosyalarMesafe birimi. Bu dosyalar 1 mm / mesafe biriminde bir dilimleme yazılım içine ithal edildiğinde, modeller 10 milyon kez büyütmede ölçekli olacaktır.

  1. Otomatik NIH 3D Baskı Exchange ile 3D yazdırılabilir bir model oluşturmak
    NOT: NIH 3D Baskı Değişim adımlarda 1.2-1.3 açıklanan adımlara benzer Chimera komut çalışır.
    1. Bir veritabanı ya PDB, EMDB veya pubchem (ek 1.1) yazdırmak için biyomoleküler yapının moleküler veri dosyasını bulun. ilgi biyomolekülün için katılım numarasını kaydedin.
    2. ilk kez kullanıcı eğer, (3dprint.nih.gov) NIH 3D Baskı Borsası gidin ve yeni bir kullanıcı hesabı oluşturun.
    3. , "Hızlı Gönder" özelliği gidin biyomolekül katılım kodunu girin ve göndermek tıklayın.
    4. Biyomolekülün modeli oluşturduktan sonra, modelin sayfasına gidin ve kurdele "Biyomoleküllerin STL dosyasını indirmek"Veya" yüzey "gösterimi. Protokolün 2. bölüme geçin.
  2. UCSF Chimera özel bir molekül modeli oluşturmak
    NOT: Birçok adımlar için komut satırı eşdeğerleri de dahil olmak üzere 3D modeller, yapmak için Chimera kullanarak daha fazla ayrıntıya, ek 1.2 bulunabilir.
    1. Indirin ve UCSF Chimera yükleyin (https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html).
    2. Chimera kullanarak aşağıdakilerden birini yaparak moleküler veri dosyasını almak:
      1. Araç çubuğu komut dosyası kullanma>, kimliğine göre Fetch veritabanından dosyayı doğrudan almak için bir pubchem, PDB veya EMDB katılım kodunu girin.
      2. Araç çubuğu komut dosyası kullanma> Aç, yerel moleküler veri dosyasını almak; Varsayılan olarak, molekül bir ligan 5 Å içinde protein ve nükleik asit, atomlar için kurdeleler ve tahvil ligandlar için, ve artıkları gösterecektird.
      3. Sık giderek erişilen Chimera komut satırını kullanarak> komut satırı, Açık komutunu kullanın ve katılım kodunu girin.
  3. Bir biyomolekül 3D-yazdırılabilir temsil hazırlanması
    NOT: Bir biyomoleküler yapı görüntülenen veya temsil edilebilir çeşitli yolları vardır. baskı için özel bir temsil seçimi en iyi biyomolekül yapı-fonksiyon içine büyük fikir sağlamak için nasıl dayalı yapılan olmalıdır. Yaygın temsiller "şeritler", "yüzey" ve "atom / bağa içerirler." Ancak, seçme yan zincirleri veya ligandları görüntülemek için bu temsillerin bir arada kullanarak keşfetmek için en iyisidir. Buna ek olarak, 3D baskılı yapı basılacak kadar sağlam olmalı ve kullanımda kırmak değil. Bir temsil seçerek veya bir yan zincir görüntüleme Böylece, bu dikkate alınması önemlidir. Also destek yapıları veya tanıtan düşünün "dikmeler." modeli yazdırırken tüm özellikleri doğru olarak yazdırılır, böylece son olarak, bunu büyütmek için önemli olacaktır. Böylece, büyük biyomoleküllerin için, şeritler ya da atom gösterimleri tamamen baskı nedeniyle bu basılacak gerekir hangi ölçeğe uygun olmayabilir.
    1. "Kurdele" bir 3D-yazdırılabilir temsil oluşturuluyor
      Not: Daha ayrıntılı takviyesi 1.2.1 bulunabilir.
      1. Seç> Yapı> çözücü kullanarak, iyonları içeren görünür "solvent" seçeneğini seçin.
      2. > Gizle İşlemler> Atomlar / Tahvil kullanılarak seçilen "solvent" Hide.
      3. başarıyla basılabilir böylece kurdele çapını kalınlaştırmak. Araçlar> tasviri altında Şerit Style Editor menüsünü kullanın.
        NOT: Suilk denemesi için parametreleri ggested: Ölçekleme sekmesi altında, en az 0,7 her öğe ve en azından aşağıdaki her ayar genişliğinin Boy değiştirin: Coil 0.7; Helix 1.4; Sac: 1.4; Ok (baz): 2.1; Ok (uç) 0,7; 1.0 nükleik.
      4. Bir nükleik asit varsa, Eylemler> Atomların / Tahvil> nükleotid nesnelerle> ayarlar ile taban temsil değiştirmek. merdiven şeker / baz ekran ve 0.6 basamak yarıçapı değiştirin.
      5. İsteğe bağlı: destek yapıları tanıtmak için 1.3.3 adıma geçin.
    2. molekülünün bir 3D-yazdırılabilir "yüzey" temsilini oluşturmak
      NOT: Daha fazla ayrıntı takviyesi 1.2.2 bulunabilir.
      1. önceki tüm sunumlarını gizleyin. Eylemler> Atomlar / Tahvil> gizlemek ve Eylemler kullanın> Kurdela>saklamak.
      2. Küreler olarak atomları işlerken, menü kontrol edin> istenen atomu (ler) seçme ve Eylemler giderek yarıçapını ayarlamak.
        Not: varsayılan atom yarıçapı değiştirme daha kolay baskılı modelde farklı atom tiplerini ayırt etmek yapabilirsiniz.
      3. Herhangi bir İşlemler> Atomlar / Tahvil> gizleme ve Eylemler> Kurdela> Gizle kullanarak şeritler, atomları, tahvil ve pseudobonds görüntülenen gizleyin.
      4. yüzey ayrıntı isteniyorsa yüzey hesaplaması daha doğru olduğu şekilde, hidrojen atomları ekleyin. Kullanım Araçlar> Yapı Düzenleme> AddH.
      5. Komut satırında sörf # 0 ızgara 0.5 girerek bir yüzey oluşturur.
    3. Bir 3D-yazdırılabilir temsilini oluşturmak "atomlar / tahvil."
      NOT: Daha fazla ayrıntı takviyesi 1.2.3 bulunabilir.
      1. çözücü gizleyin. kullanım> Yapı> daha sonra solvent ve İşlemler> Atomlar / Tahvil> hide seçin.
      2. Seçme ve İşlemler> Atomun / Tahvil> gösterisi ile onları göstererek belirli artıkları ve / veya atomlar olarak temsil ligandlar ve tahvil görüntüler. Atomlar temsil edilmektedir yolu sopa, top ve sopa veya küre seçerek Eylemler> Atomların / Tahvil açılır değişmiş olabilir.
      3. Menü kontrol edin> bir seçim yaptıktan sonra, sopa veya topun yarıçapı artırmak ve Eylemler ile temsilleri sopa.
      4. İsteğe bağlı: destek yapıları tanıtmak için 1.3.4 adıma geçin.
  4. 3D-yazdırılabilir temsil yapısal destek ekleme
    NOT: Daha fazla ayrıntı takviyeleri 1.2.4 ve 1.2.5 bulunabilir. Bu aşamada, dikmeler 3D model eklenebilir. Küçük proteinler (örneğin, en az 50 kalıntıları), genellikle, tipik bir kalınlığı olan bir şerit olarak temsil edilir ve bu destek olmadan, iyi bir baskı olabilir, ancak, stabilite için omurga hidrojen bağları içerir alfa-helis ve beta-tabaka sekonder yapıları için tavsiye edilir. Ancak, büyük proteinler için, hatta hidrojen bağlarının yanı sıra, birçok şerit modelleri hala başarılı bir şekilde basılacak kadar hassastır. Struts herhangi bir moleküler özelliği yansıtan ama böylece baskı kolaylaştırmak ve taşıma, mekanik gücünü katmayan modeli içinde fiziksel bağlantıları vardır. Chimera otomatik olarak komut satırı üzerinden dikme komutu ile bir modele destekleri eklemek için hızlı bir yol sunar ve bireysel dikmeler de olmak elle Mesafeler aracını kullanarak görüntülenebilir olabilir.
    1. bir daha dayanıklı baskı hazırlamak için hidrojen bağları görüntüler. Menü Araçlar> Yapı Analizi> FindHBond kullanın.
    2. Kullanım Araçlar> Genel ContRols> PseudoBond Panel hidrojen bağları değiştirmek için. "Hidrojen bağı" pseudobonds seçin nitelikleri düğmesini tıklayın ve "Bileşen PseudoBond Özellikleri" kutusunu işaretleyin. Alt panelde, sopa telden bağ stili ve 0.2 ila 0.6 yarıçapı değeri değiştirin.
    3. İsteğe bağlı: destek yapısı (ler), ya da dikmeler komutunu kullanarak "dikmeler," ekleyin. Komutunu kullanın dışında başka 8 Å daha her 70 kalıntılarının karbon alfa 1.0 Å yarıçaplı mavi dikmeler oluşturmak için: 1,0 fattenRibbon yanlış @ca uzunluğu 8 ilmek 70 mavi renk rad kasılarak.
    4. İsteğe bağlı: Mesafeler aracıyla bireysel destekleri oluşturmak onlara, kullanım Araçlar> Yapı Analizi> Mesafeler her biri üzerinde kayması-ctrl-tıklayarak iki atom seçin ve bir pseudobond eklemek için oluşturmak tıklatın için. NavigatPseudoBond Panel e, "mesafe monitör" pseudobonds seçmek nitelikleri düğmesini tıklayın ve "Bileşen PseudoBond Özellikleri" kutusunu işaretleyin. Alt panelde, sopa telden bağ stili ve 0.01 0.2 yarıçap değerini değiştirmek.
    5. STL 3D model dosyası olarak Chimera render İhracat
      1. İstenilen temsil elde edildikten sonra, Dosya> Dışa Aktar Sahne 3B dosyayı vermek için. dosya türü ve adı olarak STL seçin ve modelini kaydedin. Not: protokolün 2. bölümünde açıklandığı gibi bu STL dosyası, tamir odaklı ve basılabilir.

Baskı için 2. Proses STL Dosyaları

  1. Autodesk Netfabb ile onarım STL dosyaları
    NOT: inte birden fazla çakışan parçaları içeriyorsa bir model onarım gerektirebilirGenellikle şerit modelleri ve atom modelleri ile olduğu geometrileri, rsecting. kesişen bölgeleri modelin dış olarak yorumlanabilir gibi dosya, bazı dilimleme yazılımı tarafından okunduğu zaman geometri örtüşen hatalara neden olabilir. Daha ayrıntılı ek 2.1 bulunabilir.
    1. Indirin ve yazılımın standart sürümünü yükleyin.
    2. STL dosyasını programını açın ve ithalat tamir edilecek. Kafes ile ilgili sorunlar varsa, bir uyarı işareti görüntülenir.
    3. Kullanım Ekstra> Otomatik Parça Tamir, Genişletilmiş Onarım seçin ve dosya işlenirken bekleyin; küçük modeller için, bu saniye sürer, ancak büyük modeller için, bu dakika sürebilir.
    4. Model üzerinde sağ tıklayın ve STL Olarak Dışa Aktar Bölüm> seçmek veya tamir modeli kurtarmak için STL olarak Project> İhracat Projesi kullanın; programı "tamir" katacakdosya orijinal dosyadan ayırt etmek.
  2. Autodesk Meshmixer ile baskı Orient modelleri
    NOT: Önceki dilimleme bir model Optimal oryantasyon çıkıntılar sayısını ve dolayısıyla baskı işlemi sırasında gerekli desteklerin sayısını azaltacaktır. Optimal odaklı bir model, daha hızlı yazdırmak daha az malzeme kullanımı ve baskı sırasında başarısız olasılığı daha az olacaktır. Daha ayrıntılı ek 2.2 bulunabilir.
    1. Indirin ve yazılımı yüklemek
    2. programa tamir STL dosyasını içe aktarın.
    3. Analiz> Yönlendirme seçin.
    4. 0, 0, 100 Destek Alanı Ağırlık Destek Vol Ağırlık değeri Mukavemet Ağırlık değerini ayarlayın ve ardından modeli güncelleyin. Bu çıkıntılar sayısını en aza indirmek için bir model dönecektir. Ortaya çıkan yönünü kabul eder.
    5. Dosya> Dışa kullanın ve açılır menüden ikili STL dosyasını seçin. dosyayı kaydedin.

3. Dilimleme ve Baskı

  1. Bir lif malzemesini seçin
    NOT: Baskı ayarları seçilen malzeme için farklılık gibi bir baskı malzemesinin seçimi, bir dilimleme yazılımı kullanmadan önce yapılmalıdır. yaygın olarak kullanılan üç malzeme, polilaktik asit (PLA), termoplastik elastomerler (TPE) ve akrilonitril butadien stiren (ABS) 'dir. o çözgü nadiren çabuk soğur inşa plakasına iyi yapışır ve aynı PLA, genellikle ayrıntılı moleküler modeller yazdırmak için en etkili malzemedir. TPE PLA malzemesine benzer bir malzeme olduğu ve esnek modeller üretmek için kullanılabilir. Bu tamamlayıcı protein yüzey modelleri veya protein şerit modelleri için tavsiye edilir. ABS güçlü ve PLA daha esnektir, ancak 12 Yazdırma sırasında bu potansiyel olarak tehlikeli partikülleri üretir. Genellikle les yüksek malzeme sıcaklığı sonuçları olarak, moleküler modeller baskı önerilmezküçük özellikler hassas üretiminin s. Daha ayrıntılı ek 3.1 bulunabilir.
    1. polilaktik asit (PLA) ile yazdırma.
      1. 210 ° C'ye kadar meme sıcaklığını ayarlamak. Oda parçanın yapışmasını sağlamak için, 70 ° C yatak sıcaklığını ayarlamak. Bir ısıtılmayan yatak kullanıyorsanız, ressamlarının bant ile örtün. Aktif soğutma kullanın.
    2. termoplastik elastomerler ile yazdırma (TPE)
      1. Adımı tekrarlayın 3.1.1.1. 1.200 mm / dak veya daha az baskı hızını ayarlayın.
    3. akrilonitril bütadien stiren ile yazdırma (ABS)
      1. Soğutma kullanmayın. 240 ° C ağızlık sıcaklığının ayarlayın. Oda parçanın yapışmasını sağlamak için, 110 ° C yatak sıcaklığını ayarlamak.
  2. G-kodu üretmek
    NOT: Model varsayılan olarak 10 milyon kez büyütmede alınır. Şerit modelleri 20 milyon kez (% 200) veya daha ölçeklenebilir olmalıdır. Yüzey modelleri pr% 100 veya daha yüksek de hiç int. Daha ayrıntılı ek 3.2 bulunabilir.
    1. Indirin ve baskı dilimleme yazılımı yükleyin.
    2. Dosya> İçe Aktar Modeli kullanın ve tamir ve odaklı STL dosyasını seçin.
    3. model üzerinde çift tıklayarak ve ekranın sağ taraftaki pencerede ölçekleme faktörünü girerek modeli Scale.
    4. modeli için destek yapıları oluşturmak. destek simgesini seçin ve 1 ayağı çözünürlüğü ve 50 ° 'lik bir maksimum çıkıntı açısı ile normal destek kullanın.
    5. Tüm destekleri oluşturmak tıklayın. Ekle veya destek yerleştirme özelleştirmek için destek yapısı özelliklerini kaldırın.
    6. Bir işlemini seçin ve düzenleme süreci ayarlarını tıklayın.
    7. kullanılmakta olan yazıcı ve malzeme profili yapılandırın.
      NOT: Bir sal ve ağız dahil edilmelidir, ve şerit modelleri% 100 dolgu olarak basılmalıdır. Detaylı profil ayarları suppleme bulunabilirnt 3.2.
    8. yazıcı tarafından okunabilen bir G-kod dosyası içine modeli dönüştürün. Düğmesi ve yazıcı / malzeme profilini içeren sürecini seçmek "yazdırmak için hazırlamak" düğmesini tıklayın. Yazıcı meme yolunu gözlemek ve bir baskı başarısız olmasına neden olabilir hatalar için kontrol edin.
      NOT: Baskı başarısız olmasına neden olabilir hatalar yazdırmak için çok ince çıkıntılar altında destekler, istenmeyen boşlukların, eksik katmanları ya da alanların olmaması sayılabilir.
    9. masaüstüne veya doğrudan bir SD karta G-kod dosyasını kaydedin.
  3. yazıcıyı çalıştırın
    NOT: Her yazıcı marka veya model benzersiz ve baskı için hazırlık ve kalibrasyon buna göre değişecektir. Yazıcı için kılavuzuna başvurun.
    1. iş istasyonu yazıcı veya gcode SD kart yazıcıda olduğu bağlı olduğundan emin olun.
    2. filamanın yükleme ve yatak seviyesi sağlayarak yazıcıyı hazırlayın;Bu prosedürler ile ilgili talimatlar için, yazıcının kullanım kılavuzuna bakın.
    3. Bilgisayardan veya yerel yazıcı menüsü üzerinden bir SD karttan baskı başlatın.
    4. İlk katman başarıyla tamamlanana kadar baskı izleyin. İlk katmanda herhangi bir hata varsa, iptal ve baskı yeniden başlatın.

4. Post-prodüksiyon İşleme

NOT: Elbette Bakımı, bu final, sahne alınmalıdır. modele destek yapıları çıkarılmalıdır. Böyle bir erir desteğin kullanımı gibi alternatif yaklaşımlar da kullanılabilir, ancak bu genellikle elle yapılır; ek 4'e bakınız.

  1. yavaşça yanlara çekerek inşa plaka baskı ayırın. sal inşa plakasına kuvvetle yapışırsa, aralarında keskin bir kenarı takarak ayırın.
  2. modelinden destek yapılarını sökün. Birçok destekler parçası ve ra kapalı onları kırarak, elle kaldırılabilirft. Esnek modeller uzak kısmından çekerek ayrılabilir. ulaşılması zor veya hassas yapılara bağlı, destek kısmına bağlanır noktayı klibi pense kesme kullanmak destekler için.

Representative Results

Istikrar, (ii) dikkatlice (iii) 'de biyomolekülü baskı, büyük anlayış ve istikrarı sağlayacak ikincil yapı temsil türü veya stili seçerek temin etmek (i) kalınlaşma bağlarının: biyomoleküllerin Kararlı ve bilgilendirici 3D yazdırılabilir modelleri ile hazırlanabilir birden fazla moleküler temsili, (iv) işlemek veya biyo-molekülün bir parçası, esnek, ya da (v) (bağlanabilen parçaları yani,) modüler karmaşık montaj üreten bir iplik kullanılmıştır.

Böyle bilgilendirici ve istikrarlı modelleri yazdırmak için nasıl göstermek için, kromatin bileşenleri ve kromatin varsayımsal bir model üretmeye odaklanmıştır. Kromatin oldukça karmaşık bir protein-DNA montaj olduğunu. Kromatin temel protein alt-birim histon proteinidir. Dört histon proteinleri, her bir helezon oluşan varuzun bir alfa sarmal ve ikinci bir takip -loop sarmal (a "histon kat") "histon kat." Histon proteini yapısı kolayca bir "şerit" gösterim (Şekil 3A) kullanılarak üretilebilir. Seçenek olarak ise, histon protein yapısı sadece yüzeye (Şekil 3B) kullanılarak görüntülenebilir. bir küresel histon oktameri oluşturmak için bir araya dört histon proteinleri, her iki kopyası vardır. histon oktamer nedeniyle bu özellikler yazdırılması gereken hangi büyük ölçekte, bir şerit ya da sopa temsili olarak tamamen yazdırmak için çok büyük. Bu durumda, bu büyük bir protein düzeneği en iyi yüzey gösterimi (Şekil 3C) kullanılarak görüntülenir. DNA, 10 nm çaplı nucleosome çekirdek parçacığı oluşturmak için histon oktamer etrafında bir yolunu grafik olacaktır. DNA yolu en iyi iki ayrı model baskı ve DNA (Şekil 3D) için esnek bir iplik kullanılarak görüntülenebilir. Nükleozom çekirdek partikülleri yığınıbirbirlerini, bir 30 mil çaplı "fiber" solak suprahelical yapı daha yüksek seviyeli bir düzeneğinin oluşturulması için. En iyi 10 nm nucleosome çekirdek partikülleri 30 nm kromatin montaj, baskı birey "di-nucleosome" parçacıklar (Şekil 3E) oluşturmak ve sonra da (Şekil 3F) yazdırdıktan sonra onları yığını yığını nasıl göstermek için.

Bir kez, Şekil 4'te gösterildiği gibi tek bir ekstrüzyon yüzeyi ve şerit akışı, atomik molekül ve bileşik modellerin bir dizi yapım keşfetmek yukarıda tarif edilen hakim. Örneğin, yüzey ve şerit temsilleri bir kompleksin dışında farklı bölümlerini (Şekil 4B DNA polimeraz bakınız) ayarlamak için birleştirir. Tek bir 3D nesne haline aynı anda iki iplikçikler eritebilir bir çift ekstrüzyon yazıcı kullanarak daha öğretici ve çekici modelleri olun (bkz Şekil 4C). Alternatif olarak, modellerin boya parçaları (bkz guanine ve alfa sarmalı, Şekil 4A). Baskı ve sodyum kanalı gibi, bir protein kompleksinin alt birimlerini bir araya, ya da karmaşık ayrı parçaların baskı ve daha büyük, çok renkli modeline daha sonra montaj bunu daha da ileri götürmek (HIV antikor ve ribozomal kompleksleri, bkz Şekil 4 ° C). Böyle kompozit modelleri tek filamanlı baskılar göre fonksiyonel özelliklerini göstermek için daha iyi edebiliyoruz. Farklı renkler, vurgulamak örneğin proteinine karşı protein (HIV modeli) veya RNA karşı glikosilasyon (ribozom modeli, bkz Şekil 4C) için. Ayrıca sadece tek bir 3D yapılandırma, her iki parça arasında sıkı bir uyum sağlar Antikor, (gp120 antikor tarafından bağlanan bkz Şekil 4C), HIV yüzeye bağlanabilen gibi eğitim 3D bulmaca oluşturulması için izin verir. Bu modelleri yazdırma hakkında talimatlar ek 5. Ayrıca bulunabilir, biz th bir 3D model yapısını gösteren bir ek bir video hazırladıke Fo bu katalitik mekanizma enzimleri sırasında meydana gelen döner mekanizma özetlemek böylece şekilde parçalar halinde basılmış ve toplandı / F1 proton ATP sintaz.

Şekil 1
Şekil 1. İş Akışı hazırlamak ve bir 3D model yazdırmak için. Fiziksel 3D biyomoleküler baskı üretiminde aşamalar gösterildiği: (i) temsil seçme dahil modelini hazırlamak; (Ii) modeli kaydedilmiş stl dosyasını açarak ve dilimleme yazılımını kullanarak dosyayı işleme; (Iii) modeli baskı ve malzeme veya filamanın seçimi; ve nihayet, (iv) üretim sonrası adımları gerçekleştirmeden.Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

şekil 2
Hazırlık çeşitli aşamalarında modellerin farklı temsilleri 2. Görselleri Şekil. Üst satır: iki model (ubikuitin (PDB 1UBQ) ve arginin) Ortak temsilleri programını Chimera kullanılarak görüntülendi. Özelliği ubikitin ve arginin türüne göre renkli Chimera STL modellerinden oluşturulan baskı takım yolu: Orta sıra (turuncu: dolgu deseni; koyu mavi: dış kabuk; açık mavi: iç kabuk). Alt sıra: ubikuitin ve arginin Final baskılar. ubikitin Yüzey ve iki şerit modelleri, varsayılan Chimera STL çıktı% 300 yazdırılan, (Chimera varsayılan modelinde 1 nm ve baskı 1 cm) arginin modeli w ise1.000% yazdırılır. Chimera varsayılan şerit veya çubuk modelleri düzgün yazdırmak için çok ince, ama kalınlaşmış versiyonları güvenilir basacaktır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
3. Nükleozom vaka çalışması Şekil. (A) kalınlaşma tarafından verilen Tek histon H3 proteini "kurdele"% 300 yazdırılır. % 200 yazdırılan (B) Histon H3 proteini "yüzey" temsil. % 100 basılı oktamer (C) Histon proteini. % 100 esnek baskı DNA (beyaz) ile kompleks (D) Histon proteini oktamer (turuncu). (E) Dinucleosome yüzey modeli varsayılan prob yarıçapı ile basılmış ve% 100 ölçeğinde basılmış. (F) bir melle% 50 ve% 25 boyutlarda basılmış yüzey 3 Å bir sonda yarıçapı ile kılındı ​​"10-nm" dinucleosome, tek tek basılı modeller istifleme tarafından oluşturulan kromatin "30-nm fiber" nin odel ve düzenlenen birlikte Play-Doh ile. 3D baskılar dinucleosome (PDB 1ZBB) bir modeli oluşturuldu. Tüm modeller NIH 3D Baskı Borsası 11 indirmek için serbestçe kullanılabilir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 4,
3D baskılı modeller Şekil 4. Örnekler filaman yazıcılar kullanarak üretti. (A) Sol, altıgen buz kristalleri (dual-filaman baskı) su moleküllerinin bir top ve sopa modeli. Orta bir nükleotid (guanin) modeli. Doğru, bir protein alfa h Hidrojen bağları gösteren elix omurga sadece model (siyah). Guanin ve alfa sarmalı Sharpies manuel boyanmıştır. (B) sol birlikte birleştirilebilir 4 alt-birimden oluşan sodyum kanal (PDB 3E89). Orta, Plasmodium falciparum L-laktat dehidrogenaz (PDB 1T2D) kurdele gibi basılmış. DNA polimeraz aktif sitesine (PDB 1KLN) Sağ, modeli, kurdele gibi yüzey ve protein olarak gösteren DNA. (C) Sol, glikoprotein HIV lipid zarf (PDB 5FUU)% 15 yazdırılan antikorların (PDB 1IGT), bağlı. Orta, şeritler (PDB 5FYJ) olarak gösterilen bir antikorun değişken bölgesi% 150 glikoprotein antijeni yüzeyinin detay. Bakteriyel 70S ribozom (PDB 4V5D) Sağ, modeller% 40 ve% 20. Yüzdeler% 100 1 mm olarak molekül baskılar 1 nm anlamına standart Chimera çıktı, bakın. Tüm modeller NIH 3D Baskı Borsası 11 indirmek için serbestçe kullanılabilir.OAD / 55427 / 55427fig4large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Discussion

biyomoleküllerin fiziksel 3D modeller görselleştirme daha yaygın bilgisayar tabanlı yöntemlere güçlü bir tamamlayıcı sağlar. Bir fiziksel 3D temsil ek özellikler biyomoleküler yapının sezgisel anlayışa katkıda bulunmaktadır. biyomoleküllerin fiziksel 3D modellerin ve insan duyu gelişmiş çalışmanın avantajlı olduğu bir ortam kullanılması yoluyla çalışma kolaylaştırabilir. 3D modellerin araştırmacı için bir yardım olarak değil, sadece hizmet, ancak pedagojik faaliyetlerini kolaylaştırmak için kullanılabilir ve öğrenme 13, 14, 15 çıktıları başarılarını artırabilir. Mıknatıslar polipeptidler 16 bir model ile gösterildiği gibi, montaj ve demontaj sağlamak için plastik modeller eklenebilir. Ayrıca, 3D baskılı nesne microfl yapmak hem de laboratuar ekipmanları 17, imalat hem de araştırma, kullanılanhücreler 18 ve kristaller 19 ya da nöronlar 20 model uidic cihazlar. fiziksel modeller manipülasyonu yeni anlayışlar ilham kaynağı olabilir işbirlikçi tartışmaları teşvik etmek hizmet edebilir.

yazıcılar maliyeti 3D baskı teknolojileri ve indirimleri son gelişmeler bireysel kullanıcı tarafından biyomoleküllerin karmaşık fiziksel 3D modelleri oluşturulmasını sağlar. FFF baskı teknolojisi daha yaygın ve diğer yöntemlere göre daha ucuz olmasına rağmen, bu sınırlamalar bir takım oluşturmaktadır. 3D baskı işlemi zaman alıcıdır ve mekanik arızaları ortaya çıkabilir. FFF yazıcılar genellikle sadece renk bilgilerinin görüntülenmesini kısıtlayan, bölüm başına bir malzeme yazdırabilirsiniz. FFF yazıcılarda yapılan modellerin çözünürlük katman başına 100 mikron civarında, düşük. Biz okuyucu bu sınırlamalara ile çalışmak ve kendi ilgi yazıcı ve biyomolekül (ler) için bir yaklaşım geliştirmek için tavsiye ediyoruz. Biz proce sundukBir kullanıcı için gerekli D eğ, doğru, bilgilendirici ve basılabilir kendi ilgi biyomolekül özel bir 3D gösterimi geliştirmektir. herhangi bir yeni teknoloji olduğu gibi, onun kullanım esnasında aşılması gereken "büyüme sancıları" genellikle vardır. Biz sorunların 3D baskı biyomoleküllerin (ek 6) sürecinde karşılaşılabilecek birkaç örnek sunmak.

Son olarak, bu makale ile, bu biyomoleküllerin 3D baskı yapan kullanıcıların bir topluluğun büyümesine katkıda bulunmak bizim hedefimizdir. Önemlisi, NIH 3D modelleri paylaşmak için halk için bir veritabanı kurmuştur ve yöntemler onları 10 yazdırmak için kullanılır. Önemle bu eşsiz kaynağın (NIH 3D Baskı Exchange 3D model baskı ve arka plan bilgileri yüklemek için ilgili talimatlar için ek 7) katılımı teşvik ediyoruz.

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