Impression 3D des modèles biomoléculaires pour la recherche et la pédagogie
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
Une compréhension approfondie de la fonction et l'activité d'une biomolécule nécessite la détermination de ses trois dimensions (3D) structure. Ceci est couramment réalisé à l'aide cristallographie aux rayons X, RMN, ou la microscopie électronique. Structures 3D peuvent être compris à travers la perception des modèles ou des objets précis qui ressemblent aux structures qu'ils représentent 1. Historiquement, la construction de modèles physiques en 3D était nécessaire pour les enquêteurs de valider, d'explorer et de communiquer les hypothèses résultant en ce qui concerne la fonction de biomolécules. Ces modèles, tels que la double hélice de l' ADN de Watson-Crick et l' alpha de l' hélice de Pauling, ont donné un aperçu unique sur les relations structure-fonction et étaient essentiels à notre compréhension précoce de l' acide nucléique et la protéine structure-fonction 2, 3, 4. Bien que les complexes de protéines et d'acides nucléiques modèles peuvent être créés, lele temps et le coût de la construction d'un modèle physique a finalement été compensés par la relative facilité de visualisation moléculaire assistée par ordinateur.
Le développement de l' impression 3D, également connu comme additif de fabrication, a de nouveau permis la construction de modèles physiques de biomolécules 5. L'impression 3D est le processus de fabrication, un objet physique en 3D à partir d'un fichier numérique à travers l'addition séquentielle de couches d'un matériau (s). Différents mécanismes sont utilisés dans ce processus. Jusqu'à récemment, les machines utilisées pour produire des modèles physiques de biomolécules étaient trop chers pour être largement utilisé. Cependant, dans la dernière décennie, la technologie d'impression 3D, fusionnée filament fabrication (FFF) , en particulier, a progressé de manière significative, le rendant accessible pour l' usage des consommateurs 6. imprimantes FFF sont maintenant couramment disponibles dans les écoles secondaires, les bibliothèques, les universités et les laboratoires. La plus grande abordabilité et l'accessibilité de la technologie d'impression 3Da permis de convertir des modèles 3D biomoléculaires numériques en précision, les modèles 3D biomoléculaires physiques 7, 8, 9. Ces modèles comprennent non seulement des représentations simples de biomolécules uniques, mais aussi des ensembles macromoléculaires complexes, tels que les ribosomes et les virus structures de capside. Cependant, le processus d'impression des biomolécules individuelles et des assemblages macromoléculaires pose plusieurs défis, en particulier lors de l'utilisation des procédés d'extrusion thermoplastique. En particulier, les représentations de biomolécules ont souvent des géométries complexes qui sont difficiles pour les imprimantes à produire, et la création et le traitement des modèles numériques qui seront imprimées avec succès exige des compétences avec la modélisation moléculaire, modélisation 3D, et le logiciel de l'imprimante 3D.
Le flux de travail 3D pour l'impression d'une biomolécule large se produit en quatre étapes: (1) la préparation d'un modèle biomoléculaire de son fichier de coordonnées pour l'impression 3D;(2) d'importer le modèle biomoléculaire dans un logiciel «tranchage» pour segmenter le modèle de l'imprimante et de générer une structure de soutien qui physiquement soutenir le modèle biomoléculaire; (3) sélectionner le bon filament et l'impression du modèle 3D; et (4) étapes de traitement post-production, y compris enlèvement de matière de support à partir du modèle (figures 1 et 2). La première étape de ce processus, la manipulation de calcul du fichier de coordonnées de la biomolécule, est critique. A ce stade, l'utilisateur peut construire des renforts de modèle sous la forme d'entretoises, ainsi que de retirer des structures qui sont étrangères à ce que l'utilisateur choisit d'afficher. En outre, le choix de la représentation est faite à ce stade: si vous souhaitez afficher tout ou partie de la biomolécule comme une représentation de surface, des rubans, et / ou des atomes individuels. Une fois les additions et / ou des soustractions de contenu nécessaires sont faites et la représentation est sélectionnée, la structure est enregistrée en tant que mo 3Dfichier del. Ensuite, le fichier est ouvert dans un second programme de logiciel pour convertir le modèle dans un fichier d'impression 3D qui peut être imprimé, couche par couche, en une réplique en plastique de la biomolécule.
Le but de notre protocole est de rendre la fabrication de modèles moléculaires accessibles au grand nombre d'utilisateurs qui ont accès à des imprimantes, mais les technologies FFF d'impression 3D ne plus coûteux. Ici, nous fournissons un guide pour l'impression 3D de biomolécules à partir de données moléculaires en 3D, avec des méthodes qui sont optimisées pour l'impression FFF. Nous détaillons comment maximiser l'imprimabilité des structures biomoléculaires complexes et assurer simple post-traitement des modèles physiques. Les propriétés de plusieurs matériaux d'impression courants ou filaments sont comparés, et des recommandations sur leur utilisation pour créer des impressions flexibles sont fournis. Enfin, nous présentons une série d'exemples de modèles biomoléculaires 3D imprimés qui démontrent l'utilisation de différentes représentations moléculaires.
Protocol
Representative Results
Discussion
modèles 3D physiques de biomolécules offrent un puissant complément aux méthodes sur ordinateur les plus courants de visualisation. Les propriétés supplémentaires d'une représentation 3D physique contribuent à la compréhension intuitive de la structure biomoléculaire. La construction de modèles 3D physiques de biomolécules peut faciliter leur étude par l'utilisation d'un milieu qui tire profit de modes de sensation humaine bien développées. Modèles 3D servent non seulement comme une aide au chercheur, mais peuvent être utilisés pour faciliter les activités pédagogiques et peut augmenter la réalisation des résultats d' apprentissage 13, 14, 15. Les aimants peuvent être ajoutés à des modèles en plastique pour permettre le montage et le démontage, tel que représenté par un modèle de polypeptides 16. En outre, des objets 3D imprimés peuvent être utilisés dans la recherche, à la fois dans la fabrication de matériel de laboratoire 17, ainsi que de faire microfldispositifs uidique pour les cellules 18 et des modèles de cristaux 19 ou 20 neurones. La manipulation de modèles physiques peut servir à promouvoir des discussions de collaboration qui peuvent inspirer de nouvelles idées.
Les développements récents dans les technologies et les réductions d'impression 3D dans le coût des imprimantes permet la création de complexes modèles 3D, physiques de biomolécules par un utilisateur individuel. Bien que la technologie d'impression FFF est plus fréquent et moins coûteux que d'autres méthodes, il pose un certain nombre de limitations. Le processus d'impression 3D prend du temps, et les défaillances mécaniques ne se produisent. imprimantes FFF ne peuvent généralement imprimer un matériau par partie, limitant l'affichage des informations de couleur. La résolution des modèles réalisés sur les imprimantes FFF est faible, autour de 100 um par couche. Nous conseillons au lecteur de travailler avec ces limites et de développer une approche pour leur imprimante et biomolécules (s) d'intérêt. Nous avons présenté le processes nécessaires à un utilisateur de développer une représentation 3D personnalisé de leur biomolécules d'intérêt qui est précis, informatif et imprimable. Comme pour toute nouvelle technologie, il y a souvent des «douleurs de croissance» qui doivent être surmontés au cours de son utilisation. Nous fournissons plusieurs exemples où les problèmes peuvent être rencontrés dans le processus de biomolécules d'impression 3D (voir supplément 6).
Enfin, à travers cet article, il est notre objectif de contribuer à la croissance d'une communauté d'utilisateurs engagés dans l'impression 3D de biomolécules. Fait important, le NIH a établi une base de données pour le public de partager des modèles 3D et les méthodes utilisées pour les 10 imprimer. Nous encourageons fortement la participation à cette ressource unique (voir supplément 7 pour obtenir des instructions sur la façon de télécharger une copie du modèle 3D et des informations de base à l'échange Imprimer NIH 3D).
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 |
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