3D Printing Biomoleculaire modellen voor onderzoek en Pedagogiek
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
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
Representative Results
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).
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).
