연구 및 교육학에 대한 생명 모델의 3D 인쇄
Summary
Physical models of biomolecules can facilitate an understanding of their structure-function for the researcher, aid in communication between researchers, and serve as an educational tool in pedagogical endeavors. Here, we provide detailed guidance for the 3D printing of accurate models of biomolecules using fused filament fabrication desktop 3D printers.
Abstract
The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D structures are most often perceived using the two-dimensional and exclusively visual medium of the computer screen. Converting digital 3D molecular data into real objects enables information to be perceived through an expanded range of human senses, including direct stereoscopic vision, touch, and interaction. Such tangible models facilitate new insights, enable hypothesis testing, and serve as psychological or sensory anchors for conceptual information about the functions of biomolecules. Recent advances in consumer 3D printing technology enable, for the first time, the cost-effective fabrication of high-quality and scientifically accurate models of biomolecules in a variety of molecular representations. However, the optimization of the virtual model and its printing parameters is difficult and time consuming without detailed guidance. Here, we provide a guide on the digital design and physical fabrication of biomolecule models for research and pedagogy using open source or low-cost software and low-cost 3D printers that use fused filament fabrication technology.
Introduction
기능 및 생리 활성 물질의 활성의 완전한 이해는 3 차원 구조의 결정을 필요로한다. 이는 통상적으로 X 선 결정학, NMR, 또는 전자 현미경을 사용하여 달성된다. 3 차원 구조가 1을 나타내는 구조를 닮은 모델과 정확한 또는 객체 인식을 통해 알 수있다. 연구자가 검증 탐구 및 생체 분자의 기능에 대한 결과 가설을 의사 소통을 위해 역사적으로, 실제 3D 모델의 구축이 필요했다. 예컨대 왓슨 – 크릭의 DNA 이중 나선과 폴링의 알파 헬릭스, 이러한 모델은 구조 – 기능 관계에 고유 한 통찰력을 제공하는 핵산 및 단백질 구조 기능 2, 3, 4의 우리 빠른 이해 선회 하였다. 복합 단백질 및 핵산 모델을 생성 할 수 있지만,시간과 실제 모델 구축의 비용을 최종적으로 컴퓨터를 이용한 분자 시각화의 상대적 용이성 능가 하였다.
또한 첨가제 제조 알려진 3D 인쇄의 개발은, 생체 분자 (5)의 물리 모델 구조를 다시 사용할 수있다. 3D 인쇄 재료 (들)의 층의 순차 첨가를 통해 디지털 파일의 실제 3 차원 물체를 제조하는 공정이다. 다양한 메커니즘이 과정에 사용된다. 최근까지, 생체 분자의 물리 모델을 생성하는 데 사용되는 컴퓨터는 널리 사용하기에는 너무 비싸다. 그러나, 지난 10 년 3 차원 프린팅 기술은 용융 필라멘트 제조 (FFF)는 특히 민생 6가 액세스 할 수 있도록 현저하게 진보되었다. FFF 프린터는 이제 높은 학교, 도서관, 대학, 연구소에서 일반적으로 사용할 수 있습니다. 3D 프린팅 기술의 큰 경제성과 접근성가능 정확한 실제 3D 생체 분자 모델 7, 8, 9로 디지털 생체 분자 3D 모델로 변환했다. 이러한 모델은 단일 생체 분자의 간단한 표현뿐만 아니라, 리보솜 및 바이러스 캡시드 구조와 같은 복잡한 거대 분자 어셈블리뿐만 아니라 포함되어 있습니다. 열가소성 압출 방법을 사용하여 특히 그러나, 개별 생체 분자 및 거대 분자 어셈블리를 인쇄하는 공정은 여러 과제를 제기. 특히, 생체 분자의 표현은 종종 프린터를 생산하기 어려운, 생성 및 성공적으로 인쇄 분자 모델링, 3D 모델링 및 3D 프린터 소프트웨어와 기술이 필요합니다 디지털 모델을 처리하는 복잡한 형상을 가지고있다.
널리 생체 분자를 인쇄하는 3D 워크 플로우의 네 단계에서 발생한다 : (1) 3D 인쇄에 대한 좌표 파일에서 생체 분자 모델을 준비하는 단계;(2) 모델 프린터와 물리적으로 생체 분자 모델을 지탱하는지지 구조를 생성하는 세그먼트에 "슬라이스"소프트웨어에 생체 분자 모델을 가져 오기; (3) 적절한 필라멘트를 선택하고, 3 차원 모형을 인쇄; (4) 모델의지지 재료를 제거하는 단계를 더 포함하는 포스트 – 프로덕션 처리 단계 (도 1, 2). 계산적으로, 생체 분자의 좌표 파일 조작이 프로세스의 제 1 단계는 매우 중요하다. 이 단계에서, 사용자는 스트럿 형태의 모델을 구축 증강뿐만 아니라, 사용자가 선택 표시하는 것과 외부 구조물을 제거 할 수있다. 또한, 표시의 선택이 단계에서 이루어진다 : 표면 표현, 리본 및 / 또는 개별 원자로서 생체 분자의 전부 또는 일부를 표시 할 것인지. 필요한 추가 및 / 또는 콘텐츠의 감산이 이루어지는 상기 표시가 선택되면, 구조는 3 차원 MO로 저장된델 파일. 다음으로, 파일은, 생체 분자의 플라스틱 복제본으로, 층에 의해 3D 인쇄 출력 할 수있는 파일의 레이어로 모델을 변환하는 제 2 소프트웨어 프로그램에서 개방된다.
우리 프로토콜의 목적은 FFF 프린터에 액세스 할 수 있지만 더 비싼 3D 인쇄 기술 한 사용자의 많은 수의 분자 모델의 제조에 이용할 수있게하는 것이다. 여기서는 FFF 인쇄를 위해 최적화 된 방식으로, 3D 데이터로부터 생체 분자의 3D 인쇄하기위한 가이드를 제공한다. 복잡한 생체 분자 구조의 인쇄 적성을 극대화하고 물리 모델의 간단한 사후 처리를 보장하는 방법을 우리는 세부 사항. 몇 가지 일반적인 인쇄 자료 또는 필라멘트의 특성을 비교하고, 그 사용에 대한 권장 사항은 유연한 인쇄가 제공됩니다 만들 수 있습니다. 마지막으로, 다른 분자 표현의 사용을 보여 3D 인쇄 생체 분자 모델의 일련의 예를 보여.
Protocol
Representative Results
Discussion
생체 분자의 실제 3D 모델 시각화의 일반적인 컴퓨터 기반 방법에 강력한 보완을 제공합니다. 실제 3D 표현의 추가 속성은 생체 분자 구조의 직관적 인 이해에 기여한다. 생체 분자의 실제 3D 모델의 구조는 인간 감각 잘 발달 모드 활용 매체의 사용을 통해 학습을 용이하게 할 수있다. 3D 모델은 연구원에 보조제로서뿐만 제공하지만, 교육적 활동을 용이하게하기 위해 사용될 수 있고, 학습이 13, 14, 15이 결과의 달성을 높일 수있다. 폴리펩티드 자석 (16)의 모델에 도시 된 바와 같이, 조립과 분해를 허용하도록 프라 모델에 추가 될 수있다. 또한, 3 차원 프린트 된 물체를 microfl 할뿐만 아니라 실험실 장비 (17)의 제조에 모두 연구에 사용될 수있다셀 (18) 및 결정 (19) 또는 뉴런 (20)의 모델 uidic 장치. 물리 모델의 조작은 새로운 통찰력을 자극 할 수 공동 토론을 촉진하는 역할을 할 수 있습니다.
프린터의 비용에서 3D 프린팅 기술과 감소의 최근 발전은 개별 사용자에 의해 생체 분자의 복잡한 물리적 3D 모델을 만들 수 있습니다. FFF 프린팅 기술은 일반적인 기타 방법보다 저렴하지만, 이는 많은 제한을 야기. 3 차원 프린팅 공정은 시간 소모적이며, 기계적 고장이 발생 않는다. FFF 프린터는 보통 컬러 정보 표시 제한 부 당 하나의 재료를 인쇄 할 수있다. FFF 프린터로 만든 모델의 해상도는 레이어 당 100 μm의 주위에, 낮습니다. 우리는 독자 이러한 제한 작동하고 관심을 자신의 프린터와 생체 분자 (들)에 대한 접근 방식을 개발하기를 권장합니다. 우리는 proce을 제시했다사용자의 요구 SSES는 정확한 정보 및 인쇄 인 관심을 자신의 생체 분자의 사용자 지정 3D 표현을 개발. 어떤 새로운 기술과 마찬가지로, 그것의 사용시 극복해야한다 "성장통은"종종있다. 우리는 문제가 3D 인쇄 생체 분자 (보충 6)의 공정에서 발생할 수있는 여러 가지 실시 예를 제공한다.
마지막으로,이 문서를 통해, 그것은 생체 분자의 3 차원 인쇄에 종사하는 사용자 커뮤니티의 성장에 기여하는 우리의 목표입니다. 중요한 것은, NIH는 3D 모델을 공유 할 수있는 대중에 대한 데이터베이스를 구축하고 방법들을 열을 인쇄하는 데 사용. 우리는 강력하게이 독특한 자원 (국립 보건원 3D 인쇄 Exchange를 3D 모델 인쇄 및 배경 정보를 업로드하는 방법에 대한 지침은 부록 7 참조)에 참여 바랍니다.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors are grateful for the support of Deis3D, the Brandeis 3D Printing Club, and members of Brandeis Library/LTS/Makerlab. This work was funded in part by a grant awarded to Pomeranz Krummel by the NSF, Award No. 1157892; an ESIT grant of the BMBF, awarded to the University of Tübingen; and US Federal funds from the National Institutes of Health, Department of Health and Human Services, under Contract No. GS35F0373X. Molecular graphics and analyses were performed with the UCSF Chimera package. Chimera was developed by the Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics at the University of California, San Francisco (supported by NIGMS P41-GM103311).
Materials
| 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 |
Referências
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