3D Printing of Biomolecular Modelle für Forschung und Pädagogik
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
Ein gründliches Verständnis der Funktion und Aktivität eines Biomoleküls erfordert die Bestimmung der dreidimensionalen (3D) Struktur. Dies wird routinemßig Röntgenkristallographie, NMR, Elektronenmikroskopie oder erreicht werden. 3D – Strukturen können durch die Wahrnehmung von Modellen, oder genaue ähnliche Gegenstände , die Strukturen , die sie 1 darstellen zu verstehen. die sich daraus ergebenden Hypothesen zur Funktion von Biomolekülen Historisch gesehen, war der Bau von physischen 3D-Modelle, die für die Ermittler zu validieren, zu erforschen und zu kommunizieren. Diese Modelle, wie Watson-Crick – DNA – Doppelhelix und Pauling Alpha – Helix, sofern einzigartigen Einblick in Struktur-Funktionsbeziehungen und waren entscheidend für unsere frühen Verständnis von Nukleinsäure und Protein – Struktur-Funktions – 2, 3, 4. Obwohl komplexe Protein- und Nukleinsäure-Modelle erstellt werden können, dieZeit und Kosten ein physikalisches Modell des Aufbaus wurde schließlich durch die relative Leichtigkeit der rechnergestützten Molekülvisualisierungs überwog.
Die Entwicklung von 3D – Druck, auch als additive Fertigung bekannt, aktiviert wieder den Aufbau physikalischer Modelle von Biomolekülen 5. 3D-Drucken ist der Prozeß von einer digitalen Datei durch die aufeinanderfolgende Zugabe von Schichten eines Materials (e) eine physikalische, 3D-Objekts zur Herstellung. Eine Vielfalt von Mechanismen sind in diesem Verfahren verwendet. Bis vor kurzem verwendeten Maschinen physikalische Modelle von Biomolekülen zu erzeugen, zu teuer waren weit verbreitet werden. Doch in den letzten zehn Jahren, 3D – Drucktechnologie, verschmolzenen Glühfaden Herstellung (FFF) hat insbesondere deutlich fortgeschritten, zugänglich für den Verbraucher 6 zu machen. FFF-Drucker sind jetzt allgemein verfügbar in Schulen, Bibliotheken, Universitäten und Laboratorien. Je größer die Erschwinglichkeit und Zugänglichkeit der 3D-Drucktechnologiehat es ermöglicht , digitale 3D – Modelle biomolekularen in genaue, physische 3D – Modelle biomolekularen 7, 8, 9 zu konvertieren. Solche Modelle sind nicht nur einfache Darstellungen von einzelnen Biomolekülen, sondern auch komplexe makromolekularen Anordnungen, wie die Ribosomen und Virus Kapsidstrukturen. Jedoch stellt das Verfahren zum Drucken einzelner Biomolekülen und makromolekularen Anordnungen mehrere Herausforderungen, insbesondere wenn thermoplastische Extrusionsverfahren. Insbesondere Darstellungen von Biomolekülen haben oft komplexe Geometrien, die schwierig für Drucker zu produzieren, und die Erstellung und Verarbeitung von digitalen Modellen, die Fähigkeit erfolgreich erfordert mit Molecular Modelling gedruckt werden, 3D-Modellierung und 3D-Druckersoftware.
Der 3D-Workflow zum Drucken eines Biomoleküls tritt im Großen und Ganzen in vier Schritten: (1) eine biomolekulare Modell aus seiner Koordinatendatei für den 3D-Druck hergestellt wird;(2) Importieren der biomolekularen Modell in eine "Slicing" Software-Segment das Modell für den Drucker und eine Trägerstruktur zu erzeugen, die physisch die biomolekulare Modell stützen wird; (3) Auswahl des richtigen Faden und Drucken des 3D-Modells; und (4) Postproduktion Verarbeitungsschritte, einschließlich Entfernen Trägermaterial aus dem Modell (Abbildung 1 und 2). Der erste Schritt in diesem Prozess, rechnerisch die Datei des Biomoleküls Koordinaten Manipulieren, ist kritisch. In diesem Stadium kann das Benutzermodell Verstärkungen in Form von Streben bauen sowie entfernen Strukturen, die Fremd sind, was dem Benutzer angezeigt wählt. Darüber hinaus ist die Wahl der Darstellung in diesem Stadium: ob alle oder ein Teil der Biomoleküle als Oberflächendarstellung, Bänder und / oder einzelne Atome anzuzeigen. Wenn die notwendigen Additionen und / oder Subtraktionen von Inhalten hergestellt werden und die Darstellung ausgewählt wird, wird die Struktur als 3D-mo gespeichertendel-Datei. Als nächstes wird die Datei in einem zweiten Software-Programm geöffnet, um das Modell in eine 3D-Druckdatei zu konvertieren, die Schicht für Schicht gedruckt werden kann, in eine Kunststoff Replik des Biomoleküls.
Das Ziel unseres Protokolls ist die Herstellung von molekularen Modellen zugänglich für die große Anzahl von Benutzern zu machen, die den Zugang zu FFF-Drucker haben, aber nicht zu den teureren 3D-Drucktechnologien. Hier bieten wir eine Führung für den 3D-Druck von Biomolekülen aus 3D molekularen Daten, mit Methoden, die für die FFF Druck optimiert sind. Wir Detail, wie die Bedruckbarkeit von komplexen biomolekularen Strukturen zu maximieren und die einfache Nachbearbeitung von physikalischen Modellen gewährleisten. Die Eigenschaften von mehreren gemeinsamen Druckmaterialien oder Filamente werden verglichen und Empfehlungen zu ihrer Verwendung flexibel Ausdrucke zu erstellen sind vorhanden. Schließlich zeigen wir eine Reihe von Beispielen für 3D-gedruckten biomolekularen Modelle, die die Verwendung von verschiedenen Molekular Darstellungen demonstrieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Physikalische 3D-Modelle von Biomolekülen bieten eine leistungsstarke Ergänzung zu häufiger computergestützte Methoden der Visualisierung. Die zusätzlichen Eigenschaften eines physischen 3D-Darstellung tragen zur intuitiven Verständnis biomolekularer Struktur. Die Konstruktion der physikalischen 3D-Modelle von Biomolekülen können ihre Studie durch die Verwendung eines Mediums zu erleichtern, die gut entwickelten Formen der menschlichen Empfindung Weise ausnutzt. 3D – Modelle dienen nicht nur als Hilfsmittel für die Forscher, kann jedoch verwendet werden , pädagogische Aktivitäten zu erleichtern und die Leistung zu erhöhen Lern 13 Ziele, 14, 15. Magnete können Kunststoff – Modelle hinzugefügt werden , für die Montage und Demontage zu ermöglichen, wie mit einem Modell von Polypeptiden 16 gezeigt. Auch 3D-gedruckten Objekte können in der Forschung, sowohl bei der Herstellung von Laborgeräten 17 sowie zu machen microfl verwendet werdenuidic Vorrichtungen für Zellen 18 und Modelle von Kristallen 19 oder 20 Neuronen. Die Manipulation von physikalischen Modellen kann dazu dienen, kollaborative Diskussionen zu fördern, die neue Einsichten inspirieren können.
Jüngste Entwicklungen in der 3D-Drucktechnologie und Verringerungen in den Kosten von Druckern ermöglicht die Erstellung von komplexen, physikalischen 3D-Modelle von Biomolekülen durch einen einzelnen Benutzer. Obwohl FFF Drucktechnologie häufiger und weniger kostspielig als andere Verfahren ist, stellt es eine Reihe von Einschränkungen. Die 3D-Druckverfahren ist zeitaufwendig, und mechanische Fehler auftreten. FFF-Drucker können in der Regel nur ein Material pro Teil zu drucken, um die Anzeige der Farbinformation zu beschränken. Die Auflösung der Modelle auf FFF-Druckern hergestellt ist gering, etwa 100 & mgr; m pro Schicht. Wir beraten den Leser mit diesen Einschränkungen zu arbeiten und einen Ansatz für ihre Drucker und Biomolekül (e) von Interesse zu entwickeln. Wir haben die proce präsentiertsse für einen Benutzer erforderlich, um eine individuelle 3D-Darstellung ihrer Biomolekül von Interesse, dass genau, ist informativ und druckbare zu entwickeln. Wie bei jeder neuen Technologie gibt es oft "Wachstumsschmerzen", die während der Nutzung überwunden werden müssen. Wir bieten mehrere Beispiele, bei denen Probleme im Prozess der 3D-Druck Biomoleküle angetroffen werden können (siehe Anhang 6).
Schließlich durch diesen Artikel, ist es unser Ziel, das Wachstum einer Gemeinschaft von Benutzern in dem 3D-Druck von Biomolekülen in Eingriff beizutragen. Wichtig ist , dass die NIH eine Datenbank für die Öffentlichkeit etablierten 3D – Modellen und die Methoden verwendet , um sie 10 zu drucken. Wir empfehlen dringend die Teilnahme an dieser einzigartigen Ressource (siehe Anhang 7 für Anweisungen, wie ein 3D-Modell Druck und Hintergrundinformationen zu den NIH 3D-Drucken Exchange laden).
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
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