3D הדפסה של מודלים Biomolecular למחקר פדגוגיה
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
הבנה מעמיקה של תפקוד ופעילות של biomolecule מחייב קביעת המבנה התלת-ממדי (3D) שלה. זו מושגת באופן שגרתי באמצעות קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן, תמ"ג, או במיקרוסקופ אלקטרונים. ניתן להבין מבני 3D דרך התפיסה של דגמים, או אובייקטים מדויקים דומים המבנים שהם מייצגים 1. מבחינה היסטורית, בניית מודלים 3D הפיזי היה הכרחי החוקרים לאמת, לחקור, ולתקשר ההשערות וכתוצאה מכך לגבי תפקוד של ביומולקולות. מודלים אלה, כגון הסליל הכפול DNA של ווטסון וקריק ו סליל אלפא של פאולינג, סיפק תובנה ייחודית לתוך מערכות יחסים מבנה-תפקוד והיו מרכזי להבנה המוקדמת שלנו של חומצות גרעין מבנה-תפקוד 2 חלבון, 3, 4. למרות חלבון מורכב ומודלי חומצות גרעין יכולים להיות שנוצרו,זמן והעלות של בניית מודל פיזי בסופו של דבר עולים על הקלות היחסית של להדמיה מולקולרית בעזרת מחשב.
התפתחותו של הדפוס 3D, הידוע גם בשם כתוסף בייצור, יש שוב איפשר בניית מודלים פיזיים של ביומולקולות 5. 3D הדפסה הוא תהליך של בודה אובייקט פיזי, 3D מקובץ דיגיטלי באמצעות תוספת רציפים של שכבות של חומר (ים). מגוון של מנגנונים המשמשים בתהליך זה. עד לאחרונה, המכונות המשמשות לייצור מודלים פיסיים של ביומולקולות היו יקרות מכדי להיות בשימוש נרחב. עם זאת, בעשור האחרון, טכנולוגיית הדפסת 3D, ייצור נימה התמזג (FFF) בפרט, התקדמה באופן משמעותי, מה שהופך אותו לנגיש לשימוש צרכן 6. מדפסות FFF זמינים כעת נפוץ בבתי הספר התיכוניים, ספריות, אוניברסיטאות, מעבדות. The affordability יותר ונגישות של טכנולוגיית ההדפסה 3Dאפשר להמיר מודלים וביומולקולרית דיגיטליים 3D לתוך מודלי 3D וביומולקולרית מדויקים, פיסיים 7, 8, 9. מודלים אלה כוללים לא רק ייצוגים פשוטים של ביומולקולות יחידה, אלא גם מכלולי macromolecular מורכבים, כגון מבנים קפסיד הריבוזום וירוסים. עם זאת, התהליך של הדפסה ביומולקולות פרט ורכבות macromolecular מציב כמה אתגרים, במיוחד כאשר משתמשים בשיטות שחול תרמופלסטיים. בפרט, ייצוגים של ביומולקולות יש לעתים קרובות גיאומטריות מורכבות שקשה למדפסות לייצר, ויצירה ועיבוד מודלים דיגיטליים שיודפסו בהצלחה דורש מיומנות עם הדמיה מולקולרית, מודלי 3D, ותוכנת מדפסת 3D.
זרימת עבודת 3D להדפסת biomolecule מתרחשת רחב בארבעה שלבים: (1) הכנת מודל וביומולקולרית המקובץ לתאם שלה להדפסת 3D;(2) יבוא המודל וביומולקולרית לתוך תוכנה "חיתוך" לפלח את המודל עבור המדפסת וכדי ליצור מבנה תמיכה זה יהיה לתמוך פיזית את מודל biomolecular; (3) בחירת הנימה הנכונה והדפסת מודל 3D; ו (4) מדרגות עיבוד שלאחר הייצור, כולל הסרת חומר תמיכה מהמודל (איורים 1 ו -2). השלב הראשון בתהליך זה, מחשוב המניפולציה של הקובץ לתאם של biomolecule, הוא קריטי. בשלב זה, המשתמש יכול לבנות תגבורת מודל בצורה תמוכה, כמו גם להסיר מבנים שהם זרים למה שהמשתמש בוחר להציג. בנוסף, הבחירה של ייצוג נעשית בשלב זה: האם להציג את כל או חלק של biomolecule כייצוג שטח, סרטים, ו / או אטומים בודדים. לאחר תוספות הצורך ו / או הגריעות של תוכן נעשות הייצוג נבחר, המבנה נשמר כקובץ מו 3Dקובץ דל. לאחר מכן, הקובץ נפתח בתוכנית התוכנה השנייה להמיר את המודל לתוך קובץ ההדפסה 3D שניתן להדפיס, שכבה אחר שכבה, להעתק הפלסטיק של biomolecule.
מטרת הפרוטוקול שלנו היא להפוך את הייצור של מודלים מולקולריים נגיש למספר הגדול של משתמשים שיש להם גישה למדפסות FFF אבל לא לטכנולוגיות דפוס 3D יקרות יותר. כאן, אנו מספקים מדריך עבור הדפסת 3D של ביומולקולות מנתונים מולקולריים 3D, עם שיטות שאינם מותאמות להדפסת FFF. אנו בפירוט כיצד למקסם את printability של מבנים וביומולקולרית מורכבים ולהבטיח את שלאחר העיבוד הפשוט של מודלים פיסיים. את המאפיינים של חומרים או חוטי הדפסה נפוצה מספר המושווים, והמלצות על השימוש בם כדי ליצור הדפסים גמישים מסופקים. לבסוף, אנו מציגים סדרה של דוגמאות של מודלים וביומולקולרית 3D מודפסים הממחישים את השימוש בייצוגים מולקולריים שונים.
Protocol
Representative Results
Discussion
מודלי 3D פיסיים של ביומולקולות לספק השלמת עצמה לשיטות מבוססת מחשב נפוצות יותר של ויזואליזציה. הבניינים הנוספים של ייצוג 3D פיזי לתרום הבנה אינטואיטיבית של מבנה biomolecular. בניית מודלי 3D הפיסיים של ביומולקולות יכולה להקל במחקרם באמצעות מדיום שמנצל מצבים מפותחים של תחושה אנושית. מודלי 3D לשרת לא רק כעזר החוקר, אך ניתן להשתמש כדי להקל על פעילויות פדגוגיות יכולים להגדיל את ההישג של למידה ותוצאות 13, 14, 15. מגנטים ניתן להוסיף מודלים מפלסטיק כדי לאפשר הרכבה ופירוק, כפי שמוצג עם מודל של פוליפפטידים 16. כמו כן, אובייקטים מודפסים 3D ניתן להשתמש במחקר, הוא בייצור של ציוד מעבדה 17, כמו גם לעשות microflהתקנים uidic עבור תאים 18 ומודלים של גבישים 19 או נוירונים 20. המניפולציה של מודלים פיזיים יכול לשמש כדי לקדם דיונים פעולה שיכולה לעורר תובנות חדשות.
ההתפתחויות אחרונות בטכנולוגיות הדפסת 3D והנחות בעלות של מדפסות מאפשרות יצירת מורכבים, מודלי 3D פיסיים של ביומולקולות ידי משתמש בודד. למרות טכנולוגיית הדפסת FFF נפוצה יותר ופחות יקרה מאשר שיטות אחרות, זה מציב מספר מגבלות. תהליך הדפסת 3D הוא זמן רב, תקלות מכאניות מתרחשות. מדפסות FFF בדרך כלל ניתן להדפיס רק חומר אחד לכל חלק, הגבלת התצוגה של נתוני צבע. הרזולוציה של מודלים שנעשו על מדפסות FFF נמוכה, כ -100 מיקרומטר לכל שכבה. אנו ממליצים לקורא לעבוד עם המגבלות האלה וכדי לפתח גישה עבור המדפסת biomolecule שלהם (ים) של עניין. הצגנו את processes דרושה למשתמש לפתח ייצוג 3D מנהג biomolecule העניין שלהם כי הוא מדויק, אינפורמטיבי, להדפסה. כמו עם כל טכנולוגיה חדשה, יש לעתים קרובות "כאבי גדילה" שיש להתגבר במהלך השימוש בו. אנו מספקים מספר דוגמאות בן בעיות ניתן נתקלו בתהליך של ביומולקולות הדפסת 3D (ראה תוספת 6).
לבסוף, באמצעות מאמר זה, היא המטרה שלנו לתרום לצמיחה של קהילה של משתמשים עוסקים הדפסת 3D של ביומולקולות. חשוב לציין כי NIH הקימה מאגר מידע לציבור לחלוק מודלים 3D ואת האמצעים שננקטו כדי להדפיס אותם 10. אנו מעודדים השתתפות בתוקף משאב ייחודי זה (ראה תוספת 7 כדי לקבל הוראות כיצד להעלות הדפסת 3D מודל ומידע רקע לבורסת הדפסת 3D NIH).
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).
