La stampa 3D dei modelli biomolecolari per la Ricerca e Pedagogia
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
Una comprensione completa della funzione e l'attività di una biomolecola richiede la determinazione della sua struttura tridimensionale (3D). Ciò si ottiene normalmente mediante cristallografia a raggi X, NMR, o microscopia elettronica. Strutture 3D possono essere comprese attraverso la percezione di modelli o oggetti accurati assomigliano le strutture che rappresentano 1. Storicamente, la costruzione di modelli 3D fisici era necessario per gli investigatori per convalidare, esplorare e comunicare le ipotesi derivanti per quanto riguarda la funzione di biomolecole. Questi modelli, come il DNA a doppia elica di Watson-Crick e alfa elica di Pauling, a condizione visione unica relazioni struttura-funzione e sono stati fondamentale per la nostra comprensione precoce di acidi nucleici e proteine struttura-funzione 2, 3, 4. Sebbene i modelli di acido nucleico proteine complesse e possono essere creati, latempo e costo di costruzione di un modello fisico è stato finalmente superato dalla relativa facilità di visualizzazione molecolare assistita dal computer.
Lo sviluppo della stampa 3D, noto anche come additivo di fabbricazione, ha nuovamente permesso la realizzazione di modelli fisici di biomolecole 5. stampa 3D è il processo di fabbricazione di un oggetto fisico 3D da un file digitale attraverso l'aggiunta sequenziale di strati di un materiale (s). Una varietà di meccanismi sono utilizzati in questo processo. Fino a poco tempo, le macchine utilizzate per la produzione di modelli fisici di biomolecole erano troppo costosi per essere ampiamente utilizzato. Tuttavia, negli ultimi dieci anni, la tecnologia di stampa 3D, fuso filamento fabbricazione (FFF), in particolare, ha avanzato in maniera significativa, rendendolo accessibile ad uso dei consumatori 6. stampanti FFF sono ora comunemente disponibili nelle scuole, biblioteche, università e laboratori. La maggiore accessibilità e l'accessibilità della tecnologia di stampa 3Dha permesso di convertire modelli 3D digitali in biomolecolari accurati, fisici modelli biomolecolari 3D 7, 8, 9. Tali modelli comprendono non solo rappresentazioni semplici di singole biomolecole, ma anche complessi macromolecolari complesse, quali le strutture del capside ribosoma e virus. Tuttavia, il processo di stampa di singole biomolecole e assiemi macromolecolari pone diversi problemi, specialmente quando si utilizzano metodi di estrusione termoplastici. In particolare, le rappresentazioni di biomolecole hanno spesso geometrie complesse che sono difficili per le stampanti di produrre, e la creazione e l'elaborazione di modelli digitali che verranno stampati con successo richiede abilità con modellistica molecolare, modellazione 3D e software di stampa 3D.
Il flusso di lavoro 3D per la stampa di una biomolecola ampiamente avviene in quattro fasi: (1) preparare un modello biomolecolare dal suo file di coordinate per la stampa 3D;(2) di importare il modello biomolecolare in un software "taglio" per segmentare il modello per la stampante e per generare una struttura di supporto che fisicamente tenere in piedi il modello biomolecolare; (3) selezionando il filamento corretta e la stampa del modello 3D; e (4) fasi di lavorazione post-produzione, compresa la rimozione materiale di supporto dal modello (figure 1 e 2). Il primo passo in questo processo, computazionalmente manipolare il file coordinate del biomolecole, è critica. A questo punto, l'utente può costruire rinforzi modello in forma di puntoni, nonché rimuovere strutture che sono estranei a ciò che l'utente sceglie di visualizzare. Inoltre, la scelta della rappresentazione viene effettuata in questa fase: se visualizzare tutta o parte della biomolecola come rappresentazione di superficie, nastri e / o singoli atomi. Una volta che le aggiunte e / o sottrazioni di contenuti necessari sono fatte e si seleziona la rappresentazione, la struttura viene salvato come mo 3Ddel file. Successivamente, il file viene aperto in un secondo programma software per convertire il modello in un file di stampa 3D che può essere stampato, strato per strato, in una replica di plastica della biomolecole.
L'obiettivo del nostro protocollo è quello di rendere la realizzazione di modelli molecolari accessibili al grande numero di utenti che hanno accesso alle stampanti FFF, ma non più costose tecnologie di stampa 3D. Qui, mettiamo a disposizione una guida per la stampa 3D di biomolecole da dati molecolari in 3D, con i metodi che sono ottimizzati per la stampa FFF. Noi dettaglio come massimizzare la stampabilità di strutture biomolecolari complessi e garantire la semplice post-elaborazione di modelli fisici. Le proprietà dei vari materiali per la stampa comune o filamenti sono confrontati, e raccomandazioni per il loro utilizzo per creare stampe flessibili sono forniti. Infine, vi presentiamo una serie di esempi di modelli biomolecolari 3D-stampati che illustrano l'utilizzo di diverse rappresentazioni molecolari.
Protocol
Representative Results
Discussion
modelli 3D fisici di biomolecole forniscono un potente complemento ai metodi basati su computer più comuni di visualizzazione. Le proprietà aggiuntive di una rappresentazione 3D fisica contribuiscono alla comprensione intuitiva della struttura biomolecolare. La costruzione di modelli fisici 3D di biomolecole può facilitare il loro studio attraverso l'uso di un mezzo che sfrutta modalità ben sviluppati della sensazione umana. Modelli 3D servono non solo come un aiuto per il ricercatore, ma possono essere utilizzati per facilitare le attività pedagogiche e può aumentare il raggiungimento di risultati dell'apprendimento 13, 14, 15. I magneti possono essere aggiunti ai modelli di plastica per consentire il montaggio e lo smontaggio, come illustrato con un modello di polipeptidi 16. Inoltre, oggetti 3D-stampata possono essere utilizzati nella ricerca, sia nella produzione di attrezzature di laboratorio 17, così da rendere microfldispositivi uidic per celle 18 e modelli di cristalli di 19 o neuroni 20. La manipolazione di modelli fisici può servire a promuovere le discussioni di collaborazione che possono ispirare nuove intuizioni.
I recenti sviluppi nelle tecnologie di stampa 3D e riduzioni del costo delle stampanti consente la creazione di modelli complessi, fisici 3D di biomolecole da parte di un singolo utente. Sebbene tecnologia di stampa FFF è più comune e meno costoso rispetto ad altri metodi, pone una serie di limitazioni. Il processo di stampa 3D è in termini di tempo, e non si verificano guasti meccanici. stampanti FFF solito può stampare un solo materiale per parte, limitando la visualizzazione delle informazioni sul colore. La risoluzione di modelli realizzati su stampanti FFF è bassa, circa 100 micron per strato. Si consiglia al lettore di lavorare con questi limiti e di sviluppare un approccio per la loro stampante e biomolecole (s) di interesse. Abbiamo presentato il proceSSES necessarie per un utente di sviluppare una rappresentazione 3D personalizzato del loro biomolecole di interesse che è accurata, informativo, e stampabile. Come per ogni nuova tecnologia, ci sono spesso "dolori della crescita" che devono essere superate durante il suo utilizzo. Forniamo diversi esempi in cui possono incontrare problemi nel processo di biomolecole di stampa 3D (vedi allegato 6).
Infine, attraverso questo articolo, è il nostro obiettivo di contribuire alla crescita di una comunità di utenti impegnati nella stampa 3D di biomolecole. È importante sottolineare che il NIH ha stabilito una base di dati per il pubblico per condividere modelli 3D ei metodi utilizzati per stamparli 10. Incoraggiamo fortemente la partecipazione a questa risorsa unica (vedi allegato 7 per le istruzioni su come caricare un modello 3D di stampa e informazioni di base per la stampa scambio 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 |
References
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