3D طباعة نماذج الجزيئية البيولوجية للبحوث والتربية
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
فهم شامل من وظيفة ونشاط من جزيء حيوي يتطلب تحديد هيكلها ثلاثي الأبعاد (3D). ويتحقق ذلك بشكل روتيني باستخدام البلورات بالأشعة السينية، NMR، أو المجهر الإلكتروني. ويمكن فهم هياكل 3D من خلال تصور نماذج أو كائنات دقيقة تشبه الهياكل التي يمثلونها 1. تاريخيا، كان بناء نماذج 3D المادية اللازمة للمحققين للتحقق من صحة، واستكشاف، والتواصل الفرضيات الناتجة بخصوص وظيفة من الجزيئات الحيوية. وقد وفرت هذه النماذج، مثل الحلزون واتسون-كريك في الحمض النووي المزدوج والحلزون ألفا بولينغ، ونظرة فريدة في العلاقات هيكل وظيفة وكانت محورية في فهمنا في وقت مبكر من الحمض النووي والبروتينات هيكل وظيفة 2، 3، 4. على الرغم من أن البروتين المعقدة ونماذج الحمض النووي يمكن أن تنشأ، والوقت والتكلفة اللازمين لبناء النموذج المادي وتفوق في نهاية المطاف من السهولة النسبية التصور الجزيئي بمساعدة الكمبيوتر.
تطور الطباعة 3D، المعروف أيضا باسم مضافة التصنيع، وقد مكنت مرة أخرى بناء النماذج المادية من الجزيئات الحيوية 5. 3D الطباعة هي عملية افتعال، وجوه 3D المادي من ملف رقمي من خلال إضافة متتابعة من طبقات من مادة (ق). وتستخدم مجموعة متنوعة من الآليات في هذه العملية. حتى وقت قريب، كانت الآلات المستخدمة لإنتاج نماذج طبيعية من الجزيئات الحيوية مكلفة للغاية لاستخدامها على نطاق واسع. ومع ذلك، في العقد الماضي، تكنولوجيا الطباعة 3D، تنصهر فيها خيوط تلفيق (FFF) على وجه الخصوص، وقد تقدمت بشكل ملحوظ، مما يجعلها في متناول لاستخدام المستهلك 6. طابعات FFF متوفرة الآن بشكل شائع في المدارس الثانوية والمكتبات والجامعات والمختبرات. وزيادة القدرة على تحمل التكاليف وسهولة الوصول إليها من تكنولوجيا الطباعة 3Dجعلت من الممكن لتحويل الرقمية نماذج الجزيئية البيولوجية 3D في دقيقة والمادية نماذج الجزيئية البيولوجية 3D 7، 8، 9. وتشمل هذه النماذج ليس فقط تمثيل بسيط من الجزيئات الحيوية واحدة، ولكن أيضا المجالس الجزيئات المعقدة، مثل الريبوسوم وفيروس الهياكل القفيصة. ومع ذلك، فإن عملية الطباعة الجزيئات الحيوية الفردية والجمعيات الجزيئات تطرح العديد من التحديات، وخاصة عند استخدام أساليب البثق بالحرارة. على وجه الخصوص، تمثيل الجزيئات الحيوية غالبا ما يكون هندستها معقدة يصعب على طابعات لإنتاج، وإنشاء وتجهيز النماذج الرقمية التي ستطبع بنجاح يتطلب مهارة مع النمذجة الجزيئية، والنمذجة 3D، وبرنامج الطابعة 3D.
سير العمل 3D لطباعة جزيء حيوي واسع يحدث في أربع خطوات: (1) إعداد نموذج الجزيئية البيولوجية من تنسيق ملفها للطباعة 3D،(2) استيراد نموذج الجزيئية البيولوجية في برنامج "تشريح" لقطاع نموذج للطابعة ولتوليد هيكل الدعم التي من شأنها دعم جسديا مع النموذج الجزيئية البيولوجية. (3) اختيار خيوط الصحيح وطباعة نموذج 3D. و (4) خطوات معالجة مرحلة ما بعد الإنتاج، بما في ذلك إزالة الدعم المادي من طراز (الشكلان 1 و 2). الخطوة الأولى في هذه العملية، والتلاعب حسابيا ملف تنسيق من جزيء حيوي، أمر بالغ الأهمية. في هذه المرحلة، يمكن للمستخدم بناء تعزيزات نموذج في شكل الدعامات، وكذلك إزالة الهياكل التي هي خارجة عن ما يختار المستخدم لعرضه. وبالإضافة إلى ذلك، يتم اختيار التمثيل في هذه المرحلة: ما إذا كان عرض كل أو جزء من جزيء حيوي وتمثيل سطح، وأشرطة، و / أو الذرات الفردية. مرة واحدة مصنوعة من إضافات و / أو الطرح من المحتويات الضرورية ويتم تحديد التمثيل، يتم حفظ هيكل باعتباره مو 3Dملف ديل. بعد ذلك، يتم فتح الملف في البرنامج الثاني لتحويل النموذج إلى ملف طباعة 3D التي يمكن طباعتها، طبقة بعد طبقة، إلى نسخة طبق الأصل البلاستيك من جزيء حيوي.
هدف بروتوكول لدينا هو جعل تصنيع نماذج الجزيئية في متناول أعداد كبيرة من المستخدمين الذين لديهم إمكانية الوصول إلى الطابعات FFF لكن تقنيات الطباعة 3D لا أكثر تكلفة. هنا، ونحن نقدم دليلا للطباعة 3D من الجزيئات الحيوية من البيانات الجزيئية 3D، مع الأساليب التي هي الأمثل للطباعة FFF. نحن بالتفصيل كيفية تحقيق أقصى قدر من القابليه الهياكل الجزيئية البيولوجية المعقدة وضمان بسيط بعد تجهيز النماذج المادية. تتم مقارنة خصائص عدة مواد الطباعة المشتركة أو خيوط، وتوصيات بشأن استخدامها لخلق ترد طباعة مرنة. وأخيرا، فإننا عرض سلسلة من الأمثلة على النماذج الجزيئية البيولوجية المطبوعة 3D والتي تثبت استخدام التمثيلات الجزيئية المختلفة.
Protocol
Representative Results
Discussion
نماذج 3D المادية من الجزيئات الحيوية توفر تكملة قوية لأساليب أكثر شيوعا القائم على الحاسوب التصور. خصائص إضافية للتمثيل 3D البدنية تسهم في فهم بديهية من هيكل الجزيئية البيولوجية. بناء نماذج 3D المادية من الجزيئات الحيوية يمكن أن تسهل دراستهم من خلال استخدام وسيلة أن يستفيد من وسائل متطورة من إحساس الإنسان. نماذج 3D تخدم ليس فقط كوسيلة مساعدة للباحث، ولكن يمكن استخدامها لتسهيل الأنشطة التربوية، ويمكن أن تزيد من تحقيق مخرجات التعلم 13 و 14 و 15. ويمكن أن يضاف المغناطيس لنماذج بلاستيكية للسماح التجميع والتفكيك، كما هو موضح مع نموذج من البروتينية 16. أيضا، والأشياء المطبوعة 3D يمكن استخدامها في الأبحاث، سواء في تصنيع معدات المختبرات 17، وكذلك لجعل microfluidic أجهزة لخلايا 18 ونماذج من بلورات 19 أو الخلايا العصبية 20. التلاعب النماذج المادية يمكن أن تكون لتعزيز المناقشات التعاونية التي يمكن أن يلهم أفكارا جديدة.
التطورات الأخيرة في تقنيات الطباعة 3D وتخفيضات في تكلفة الطابعات تمكن من خلق معقدة، ونماذج 3D المادية من الجزيئات الحيوية من قبل مستخدم فردي. على الرغم من أن تقنية الطباعة FFF هو أكثر شيوعا وأقل تكلفة من الطرق الأخرى، لأنها تنطوي على عدد من القيود. عملية الطباعة 3D هو مضيعة للوقت، ولم تحدث الأعطال الميكانيكية. طابعات FFF يمكن عادة فقط طباعة مادة واحدة لكل جزء، وتقييد عرض معلومات اللون. حل نماذج مصنوعة على طابعات FFF منخفضة، حوالي 100 ميكرون لكل طبقة. ونحن ننصح القارئ للعمل مع هذه القيود ووضع نهج للطابعة وجزيء حيوي (ق) من الفائدة. لقد قدمت صناعة تجالمؤسسات الصغيرة الحجم المطلوب للمستخدم لتطوير مخصص 3D تمثيل جزيء حيوي اهتمامهم أن دقيقة وغنية بالمعلومات، وطبع. كما هو الحال مع أي تكنولوجيا جديدة، غالبا ما تكون هناك "آلام النمو" التي يجب التغلب عليها أثناء استخدامه. ونحن نقدم العديد من الأمثلة حيث قد يكون واجه مشاكل في عملية الجزيئات الحيوية 3D الطباعة (انظر الملحق 6).
وأخيرا، من خلال هذه المقالة، هو هدفنا المساهمة في نمو المجتمع من المستخدمين تعمل في مجال الطباعة 3D من الجزيئات الحيوية. الأهم من ذلك، أنشأت المعاهد الوطنية للصحة قاعدة بيانات للجمهور للمشاركة 3D نماذج وأساليب استخدامها لطباعتها 10. ونحن نشجع بقوة مشاركة في هذا المورد الفريد (انظر ملحق 7 للحصول على تعليمات حول كيفية تحميل طباعة نموذج 3D ومعلومات أساسية لالمعاهد الوطنية للصحة 3D تبادل طباعة).
Disclosures
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 |
References
- Del Re, G. Models and analogies in science. HYLE – International Journal for Philosophy of Chemistry. 6 (1), 5-15 (2000).
- 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).
- Corey, R. B., Pauling, L. Molecular models of amino acids, peptides, and proteins. The Review of Scientific Instruments. 24 (8), 621-627 (1953).
- Watson, J. D., Crick, F. H. C. A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature. 171, 737-738 (1953).
- 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).
- Berman, B. 3-D printing: The new industrial revolution. Business Horizons. 55 (2), 155-162 (2011).
- Meyer, S. 3D printing of protein models in an undergraduate laboratory: leucine zippers. Journal of Chemical Education. 92 (12), 2120-2125 (2015).
- Gillet, A., Sanner, M., Stoffler, D., Olson, A. Tangible Interfaces for Structural Molecular Biology. Structure. 13 (3), 483-491 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Morgan, A. J., et al. Simple and versatile 3D printed microfluidics using fused filament fabrication. PLoS ONE. 11 (4), e0152023 (2016).
- 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).
- McDougal, R. A., Shepherd, G. M. 3D-printer visualization of neuron models. Frontiers in Neuroinformatics. 9, 1-9 (2015).
