JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
português

Automatically Generated
Engineering

Impressão 3D de biomoleculares Modelos de Investigação e Pedagogia

Published: March 13, 2017
doi:
10.3791/55427
, , , , ,
1Department of Physics,Brandeis University, 2Bioinformatics and Computational Biosciences Branch (BCBB),NIH/NIAID/OD/OSMO/OCICB, 3Library/LTS/MakerLab,Brandeis University, 4Interfaculty Institute of Biochemistry (IFIB),University of Tübingen, 5Winship Cancer Institute,Emory University School of Medicine

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

Uma compreensão completa da função e actividade de uma biomolécula requer a determinação da sua estrutura tridimensional (3D). Isto é habitualmente conseguido utilizando cristalografia de raios-X, RMN, ou microscopia electrónica. Estruturas 3D pode ser compreendido através da percepção de modelos, ou objectos semelhantes às estruturas precisas que eles representam um. Historicamente, a construção de modelos 3D físicas era necessário para os investigadores para validar, explorar e comunicar as hipóteses resultantes quanto à função de biomoléculas. Estes modelos, como a dupla hélice do DNA de Watson-Crick e hélice alfa de Pauling, desde uma visão única sobre relações estrutura-função e foram fundamentais para o nosso entendimento inicial de ácido nucleico e proteína estrutura-função 2, 3, 4. Embora os modelos de ácidos nucleicos de proteínas complexo e pode ser criado, otempo e custo de construção de um modelo físico foi finalmente superado pela relativa facilidade de visualização molecular assistida por computador.

O desenvolvimento de impressão 3D, também conhecido como aditivo de fabricação, mais uma vez permitiu a construção de modelos físicos de biomoléculas 5. impressão em 3D é o processo de fabrico, um objecto 3D física de um arquivo digital através da adição sequencial de camadas de um material (s). Uma variedade de mecanismos são usados ​​no presente processo. Até recentemente, as máquinas utilizadas para a produção de modelos físicos de biomoléculas eram demasiado caro para ser amplamente utilizado. No entanto, na última década, a tecnologia de impressão 3D, fundido a fabricação de filamentos (FFF), em particular, tem avançado significativamente, tornando-o acessível para uso do consumidor 6. impressoras FFF agora estão normalmente disponíveis em escolas, bibliotecas, universidades e laboratórios. A maior disponibilidade e acessibilidade da tecnologia de impressão 3Dtornou possível converter modelos biomoleculares 3D digitais em exatas, físicas modelos biomoleculares 3D 7, 8, 9. Tais modelos incluem não só representações simples de biomoléculas isoladamente, mas também conjuntos macromoleculares complexos, tais como as estruturas de cápside de ribossoma e de vírus. No entanto, o processo de impressão de biomoléculas individuais e montagens macromoleculares coloca vários desafios, particularmente quando se utiliza os métodos de extrusão de termoplásticos. Em particular, as representações de biomoléculas muitas vezes têm geometrias complexas que são difíceis para impressoras para produzir e criar e processar modelos digitais que serão impressos com sucesso requer habilidade com modelagem molecular, modelagem 3D e software da impressora 3D.

O fluxo de trabalho 3D para imprimir uma biomolécula amplamente ocorre em quatro etapas: (1) preparar um modelo biomolecular de seu arquivo de coordenadas para impressão em 3D;(2) a importação do modelo biomolecular em um software "fatiamento" para segmentar o modelo para a impressora e para gerar uma estrutura de apoio que irá fisicamente sustentar o modelo biomolecular; (3) selecção correcta do filamento e a impressão do modelo 3D; e (4) passos de processamento pós-produção, incluindo a remoção de material de suporte a partir do modelo (Figuras 1 e 2). O primeiro passo neste processo, computacionalmente manipular o arquivo de coordenadas da biomolécula, é crítica. Nesta fase, o usuário pode construir reforços modelo na forma de suportes, bem como remover estruturas que são estranhos ao que o usuário optar por exibir. Além disso, a escolha da representação seja feita nesta fase: se pretende visualizar a totalidade ou parte da biomolécula como uma representação da superfície, fitas, e / ou átomos individuais. Uma vez que as adições e / ou subtrações de conteúdos necessários sejam feitos e a representação for selecionada, a estrutura é guardado como um mo 3Darquivo del. Em seguida, o arquivo é aberto em um segundo programa de software para converter o modelo em um arquivo de impressão 3D que pode ser impresso, camada por camada, em uma réplica de plástico da biomolécula.

O objetivo do nosso protocolo é fazer com que a fabricação de modelos moleculares acessível para o grande número de usuários que têm acesso a impressoras FFF, mas tecnologias de impressão 3D para não mais caros. Aqui, nós fornecemos um guia para a impressão 3D de biomoléculas de dados moleculares em 3D, com métodos que são otimizadas para impressão FFF. Detalhamos como maximizar a capacidade de impressão de complexas estruturas biomoleculares e garantir a pós-processamento simples de modelos físicos. As propriedades de vários materiais de impressão comum ou filamentos são comparados e recomendações sobre seu uso para criar impressões flexíveis são fornecidos. Finalmente, nós apresentamos uma série de exemplos de modelos biomoleculares-impressos em 3D que demonstram a utilização de diferentes representações moleculares.

Protocol

1. Preparar 3D arquivos de modelo para impressão NOTA: arquivos de modelo em 3D de biomoléculas pode ser gerado através de dois métodos: (1) on-line utilizando as ferramentas automatizadas do NIH 3D impressão Troca 10, ou (2) localmente usando o software de modelagem molecular. Automaticamente modelos gerados usará os processos detalhados neste protocolo para criar representações de impressão, mas os detalhes da representação não pode ser escolhido pelo usuário. Em contraste, a geração de modelo personalizado permite ao usuário controle sobre as propriedades visuais do biomolécula. átomos individuais, resíduos, e títulos podem ser exibidos, ea escala de fitas, laços e suportes podem ser especificados. O NIH 3D impressão do Exchange ferramentas automatizadas e o protocolo abaixo ambos usam UCSF Chimera, uma modelagem molecular pacote de software livre e open source 11, que é bem adequado para a exportação de arquivos em 3D de biomoléculas. Todos os arquivos 3D exportados pelo angstroms uso Quimera paraa unidade de distância. Quando esses arquivos são importados para um software de corte na unidade mm / distância 1, os modelos serão escalonados em 10 milhões de vezes de ampliação. Gerar automaticamente um modelo de impressão 3D com a Bolsa de impressão NIH 3D NOTA: A Bolsa de impressão NIH 3D executa scripts Quimera, que são semelhantes às etapas descritas nos passos 1.2-1.3. Localize o arquivo de dados molecular da estrutura biomolecular para imprimir a partir de um banco de dados ou o PDB, EMDB, ou PubChem (suplemento 1.1). Grave o número de acesso para a biomolécula de interesse. Navegue até a troca de impressão NIH 3D (3dprint.nih.gov) e criar uma nova conta de usuário, se um usuário de primeira vez. Navegue até à funcionalidade "Enviar Quick", digite o código de adesão de biomoléculas, e clique em enviar. Depois de gerar o modelo da biomolécula, navegue até a página do modelo e baixar o arquivo STL biomolécula na "fita"Ou" "representação da superfície. Avance para a secção 2 do protocolo. Gerar um modelo personalizado molecular com UCSF Chimera NOTA: Maior detalhe sobre o uso Chimera para criação de modelos 3D, incluindo equivalentes de linha de comando para muitos passos, pode ser encontrada no suplemento 1.2. Baixe e instale UCSF Chimera (https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html). Usando Chimera, recuperar o arquivo de dados molecular, efectuando um dos seguintes procedimentos: Usando o comando Arquivo barra de ferramentas> Obter pelo ID, digite um código de adesão PubChem, PDB, ou EMDB para recuperar o arquivo diretamente do banco de dados. Usando o arquivo de comando da barra de ferramentas> Open, recuperar um arquivo de dados molecular local; por padrão, a molécula irá exibir fitas para proteínas e ácidos nucleicos, átomos e ligações para ligantes, e resíduos dentro de 5 Å de um ligand. Usando a linha de comando Chimera, acessado indo a seus favoritos> linha de comando, use o comando Abrir e digite o código de adesão. Preparando uma representação 3D-imprimíveis de uma biomolécula NOTA: Existem várias maneiras que uma estrutura biomolecular podem ser exibidas ou representados. A seleção de uma representação específica para a impressão deve ser feita com base na melhor forma de proporcionar o maior conhecimento sobre a estrutura e função de biomoléculas. Comumente usado representações incluem "fitas", "superfície" e "átomos / obrigações." No entanto, é melhor para explorar usando uma combinação destas representações para exibir cadeias laterais seleccione ou ligandos. Além disso, a estrutura 3D-impresso deve ser suficientemente robusto para ser impresso e para não quebrar quando manuseado. Assim, é importante considerar quando se selecciona esta uma representação ou exibindo uma cadeia lateral. Also considerar a introdução de estruturas de apoio, ou "escoras". Finalmente, ao imprimir o modelo, ele será importante para escalá-lo de modo a que todos os recursos serão impressos corretamente. Assim, por biomoléculas maiores, imprimindo inteiramente em fitas ou representações átomo pode não ser viável devido à escala em que estes teriam de ser impressa. Gerando uma representação 3D de impressão em "fitas" Nota: Mais detalhes podem ser encontrados no suplemento 1.2.1. Selecione a opção "solvente", visível, que inclui íons, usando Select> Estrutura> solvente. Ocultar o selecionado "solvente", usando Ações> Átomos / Títulos> Ocultar. Engrossar o diâmetro da fita de modo que ela pode ser impressa com sucesso. Utilize o menu Style Editor da fita em Ferramentas> Representação. NOTA: Suparâmetros ggested para uma tentativa inicial: na guia Escala, alterar a altura de cada item para, pelo menos, 0,7 e a largura de cada configuração para, pelo menos, o seguinte: Bobina 0,7; Helix 1,4; Folha: 1,4; Arrow (base): 2,1; Arrow (ponta) 0,7; Nucleic 1,0. Se um ácido nucleico está presente, alterar a representação de base com Ações> Átomos / ligações> objetos de nucleotídeos> Configurações. Alterar a exibição açúcar / base de escada e o raio degrau para 0,6. Opcional: Vá para a etapa 1.3.3 para introduzir estruturas de apoio. Gerar uma representação 3D-imprimíveis "superfície" da molécula NOTA: Mais detalhes podem ser encontrados no suplemento 1.2.2. Esconder todas as representações anteriores. Use Ações> Átomos / ligações> esconder, e Ações> Ribbons>ocultar. Ao renderizar átomos como esferas, ajustar o raio selecionando o átomo (s) desejado e ir ao menu Ações> Inspecionar. NOTA: A alteração do raio atómico padrão pode torná-lo mais fácil de distinguir diferentes tipos de átomos no modelo impresso. Ocultar qualquer exibidas fitas, átomos, títulos e pseudobonds usando Ações> Átomos / ligações> Hide and Actions> Ribbons> Ocultar. Se detalhe superfície é desejada, adicionar átomos de hidrogénio de modo que a superfície de cálculo é mais preciso. Usar Ferramentas> Estrutura Edição> TDAH. Gerar uma superfície inserindo de surf # 0 grelha de 0,5 na linha de comando. Gerar uma representação 3D de impressão em "átomos / obrigações." NOTA: Mais detalhes podem ser encontrados no suplemento 1.2.3. Esconder o solvente. UsarSelecione> Estrutura> solventes e, em seguida, em Ações> Átomos / Títulos> esconder. Exibir resíduos específicos e / ou ligantes na representação como átomos e ligações, selecionando e mostrando-lhes com Ações> Átomos / Títulos> show. A forma como os átomos são representados podem ser alterados na Ações> Átomos / suspensa Bonds, selecionando vara, bola e vara, ou esfera. Depois de fazer uma seleção, aumentar o raio do pau ou bola e furar representações com as Ações> menu de Inspecionar. Opcional: Vá para a etapa 1.3.4 para introduzir estruturas de apoio. Adicionando suporte estrutural para uma representação 3D-imprimíveis NOTA: Mais detalhes podem ser encontrados em suplementos 1.2.4 e 1.2.5. Nesta fase, suportes podem ser adicionadas ao modelo 3D. É recomendado para alfa-hélices e estruturas secundárias beta-folha para incluir ligações de hidrogênio de backbone para a estabilidade, apesar de pequenas proteínas (ou seja, menos de 50 resíduos) são muitas vezes representado como uma fita com uma espessura típica e pode imprimir bem sem esse apoio. No entanto, para as proteínas maiores, mesmo com a adição de ligações de hidrogénio, muitos modelos de fita ainda estão muito delicado para ser impresso com sucesso. Struts são conexões físicas dentro do modelo que não reflectem qualquer propriedade molecular, mas adicionar à resistência mecânica, facilitando, assim, a impressão e manuseio. Chimera oferece uma maneira rápida de adicionar automaticamente suportes para um modelo com o comando de braço através da linha de comando e escoras individuais podem também exibido ser manualmente utilizando a ferramenta distâncias. Mostrar ligações de hidrogênio para preparar uma impressão mais resistente. Utilize o menu Ferramentas> Análise de estrutura> FindHBond. Usar Ferramentas> Cont GeralROLS> Painel de PseudoBond para modificar as ligações de hidrogênio. Selecione os pseudobonds "ligação de hidrogênio", clique no botão atributos e verifique o "Component PseudoBond Atributos" caixa. No painel inferior, mudar o estilo de ligação de arame para manter o valor do raio e 0,2 a 0,6. Opcional: Adicione estrutura de suporte (s), ou "escoras", usando o comando struts. Para criar suportes azuis com um raio de 1,0 Å no alpha de carbono de cada 70 resíduos de não mais do que 8 Å de distância, use o comando: struts @ca comprimento 8 loop de 70 cor azul rad 1,0 fattenRibbon falsa. Opcional: Para criar suportes individuais com a ferramenta distâncias, selecione dois átomos por shift-ctrl-clique em cada um deles, use Ferramentas> Análise Estrutura> Distâncias e clique em Criar para adicionar um pseudobond. Navigate para o Painel PseudoBond, selecione as pseudobonds "monitor de distância", clique no botão atributos, e marque a caixa "Componente PseudoBond Atributos". No painel inferior, mudar o estilo de títulos de fio de pau e o valor do raio 0,2-0,01. Exportando a prestação Chimera como um arquivo de modelo 3D STL Uma vez que a representação desejada foi obtida, use Arquivo> Cena Exportar para exportar o arquivo 3D. Selecione STL como o tipo de arquivo eo nome e salvar o modelo. Nota: Este arquivo STL pode ser reparado, orientado, e impresso como descrito na seção 2 do protocolo. 2. Arquivos do processo STL para impressão Arquivos de reparo STL com Autodesk Netfabb NOTA: Um modelo pode precisar de reparação quando este contém várias peças sobrepostas com intersecting geometrias, o que é geralmente o caso com os modelos de fita e modelos atômicos. Sobreposição de geometria pode causar erros quando o arquivo é lido por algum software de corte, como regiões de interseção pode ser interpretado como o exterior do modelo. Mais detalhes podem ser encontrados no suplemento 2.1. Baixe e instale a versão padrão do software. Abra o programa e importar o arquivo STL de ser reparado. Se houver problemas com a malha, um sinal de alerta será exibida. Use Extras> Reparo automático de peça, selecione Repair estendida, e aguarde enquanto o arquivo é processado; para modelos pequenos, isso vai demorar alguns segundos, mas para modelos grandes, pode demorar minutos. Clique com o botão direito do mouse sobre o modelo e selecione Exportar Parte> Como STL ou usar o Project> Project Exportar como STL para salvar o modelo reparado; o programa adicionará "reparado" aonome do arquivo para distingui-lo do arquivo original. Modelos Orient para imprimir com o Autodesk Meshmixer NOTA: orientação óptima de um modelo de prévia para o corte vai reduzir o número de saliências e, portanto, o número de suportes necessários durante o processo de impressão. Um modelo orientado de forma otimizada irá imprimir mais rápido, usar menos material, e ser menos propensos a falhar durante a impressão. Mais detalhes podem ser encontrados no suplemento 2.2. Baixe e instale o software Importar o arquivo STL reparado no programa. Escolha Análise> Orientação. Ajuste o valor Peso Força para 100, valor Suporte Vol Peso a 0, Suporte Área de peso para 0 e, em seguida, atualizar o modelo. Este vai rodar o modelo para minimizar o número de saliências. Aceitar a orientação resultante. Use File> Export e escolha o arquivo STL binário a partir do menu suspenso. Salve o arquivo. 3. Cortando and Printing Selecione um material de filamento NOTA: A selecção de um material de impressão deve ser feito antes de usar um software de corte, como as configurações de impressão serão diferentes para o material selecionado. Os três materiais que são amplamente utilizados são o ácido poliláctico (PLA), elastómeros termoplásticos (TPE), e acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS). O PLA é geralmente o material mais eficaz para a impressão de modelos moleculares detalhados, à medida que arrefece rapidamente, adere bem à placa de construção, e raramente deforma. O TPE é um material semelhante a PLA e pode ser usada para produzir modelos flexíveis. É recomendado para modelos de superfície de proteínas complementares ou modelos de fita proteína. ABS é mais forte e mais flexível do que PLA, mas produz partículas potencialmente perigosas durante a impressão 12. geralmente não é recomendado para a impressão de modelos moleculares, como a temperatura resultados materiais mais elevados em lesé preciso produção de pequenos recursos. Mais detalhes podem ser encontrados no suplemento 3.1. Impressão com ácido poliláctico (PLA). Regule a temperatura do bocal de até 210 ° C. Para garantir a aderência da parte da cama, definir a temperatura do leito a 70 ° C. Se estiver usando uma cama sem aquecimento, cubra-a com fita adesiva dos pintores. Use arrefecimento activo. Impressão com elastômeros termoplásticos (TPE) Repita o passo 3.1.1.1. Defina a velocidade de impressão de 1.200 mm / min ou menos. Impressão com acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) Não use arrefecimento. Regule a temperatura do bico a 240 ° C. Para garantir a aderência da parte da cama, definir a temperatura do leito a 110 ° C. Gerar G-code NOTA: O modelo será importado em 10 milhões de vezes de ampliação por padrão. modelos de fita deve ser dimensionado para 20 milhões de vezes (200%) ou maior. modelos de superfície print bem a 100% ou maior. Mais detalhes podem ser encontrados no suplemento 3.2. Baixe e instale o software de corte de impressão. Use Arquivo> Importar Modelo e selecione o arquivo STL reparado e orientado. Dimensionar o modelo clicando duas vezes sobre o modelo e introduzir o factor de escala na janela do lado direito da tela. Gerar estruturas de apoio para o modelo. Selecione o ícone de apoio e utilizar suportes normais, com uma resolução pilar de 1 e um ângulo de saliência máxima de 50 °. Clique gerar todos os suportes. Adicionar ou remover recursos estrutura de apoio para personalizar colocação apoio. Selecione um processo e clique em Editar configurações de processo. Configure o perfil para a impressora e material que está sendo usado. NOTA: A jangada e brim devem ser incluídos, e os modelos de fita deve ser impresso em 100% de enchimento. configurações de perfil detalhado pode ser encontrado em supplemeNT 3,2. Converter o modelo para um ficheiro de código G que pode ser lido pela impressora. Clique no botão "preparar para imprimir" e selecione o processo que contém o perfil de impressora / material. Observe o caminho do bico da impressora e inspecioná-lo para erros que podem causar uma impressão a falhar. Nota: Os erros que podem causar a impressão falhar incluem a ausência de suportes sob saliências, cavidades indesejados, camadas em falta, ou áreas que são muito finas para imprimir. Salve o arquivo G-código para a área de trabalho ou diretamente para um cartão SD. Operar a impressora NOTA: Cada impressora marca ou modelo é único, e sua preparação e calibração para impressão varia de acordo. Consulte o manual da impressora. Certifique-se de que a estação de trabalho está conectada à impressora ou que o cartão SD com Gcode está na impressora. Preparar a impressora carregando o filamento e para assegurar que o leito é nível;para obter instruções sobre esses procedimentos, consulte o manual da impressora. Inicie a impressão a partir do computador ou localmente a partir de um cartão SD através do menu da impressora. Assista a impressão até que uma primeira camada foi concluída com êxito. Se houver algum erro na primeira camada, interromper e reiniciar a impressão. 4. Pós-produção de Processamento NOTA: Cuidado, claro, deve ser tomado com isso, a final, fase. estruturas de apoio sobre o modelo deve ser removido. Isto é geralmente feito manualmente, embora as abordagens alternativas, tais como a utilização de um suporte solúvel, pode ser utilizado; veja suplemento 4. Retire a impressão a partir da placa de construção puxando-o suavemente para o lado. Se a jangada adere fortemente à placa de construção, separá-lo através da inserção de uma ponta afiada entre eles. Retirar as estruturas de suporte a partir do modelo. Muitos suportes podem ser removidos à mão, quebrando-los fora da peça e do raft. modelos flexíveis pode ser destacado, puxando-os para longe da parte. Para suportes que são de difícil acesso ou são ligados a estruturas delicadas, utilizar um alicate de corte para cortar o ponto em que o apoio se conecta à parte.

Representative Results

Modelos para impressão em 3D estável e informativos de biomoléculas pode ser preparado por: (i) títulos de espessamento para fornecer estabilidade, (ii) seleccionar cuidadosamente o tipo de estrutura representação secundário ou estilo que iria proporcionar a maior discernimento e estabilidade, (iii) a impressão da biomolécula em mais do que uma representação molecular, (iv) utilizando um filamento que irá processar a totalidade ou parte de uma biomolécula flexível, ou (v) a geração de uma montagem complexa, que é modular (isto é, nas partes conectáveis). Para ilustrar como imprimir tais modelos informativos e estáveis, que incidiu sobre os componentes da cromatina e na produção de um modelo hipotético de cromatina. Cromatina é um conjunto de ADN-proteína altamente complexo. A subunidade de proteína fundamental da cromatina é a proteína histona. Há quatro proteínas histona, cada um consistindo de uma hélice-loop-hélice (a "dobra de histona") seguido de uma hélice alfa e uma segunda estendida "dobra de histona." Estrutura de proteína histona pode ser facilmente produzido usando uma representação de "fita" (Figura 3A). Em alternativa, a estrutura da proteína de histona pode ser exibida usando apenas a sua superfície (Figura 3B). Existem duas cópias de cada uma das quatro proteínas histona, que montam de modo a formar um octâmero histona globular. O octâmero histona é demasiado grande para imprimir integralmente como uma representação da fita ou da vara, devido à maior escala na qual estas características necessitam de ser impresso. Assim, um tal conjunto grande de proteínas é melhor visualizado usando representação da superfície (Figura 3C). DNA irá traçar um caminho em torno da octamer histonas para formar a 10 nm de diâmetro do núcleo nucleossomo partículas. O caminho de DNA pode ser melhor visualizado por imprimir dois modelos separados e utilizando um filamento flexível para o DNA (Figura 3D). partículas do núcleo nucleossomos empilharuns sobre os outros para formar um conjunto de ordem superior, uma "fibra", de 30 nm de diâmetro, uma estrutura suprahelical canhoto. Para melhor ilustrar a forma como os 10 nm partículas de núcleo nucleossomos podem empilhar para formar a 30 nm de montagem da cromatina, individuais de impressão partículas "di-nucleossomos" (Figura 3E) e depois empilhá-los após a impressão (Figura 3F). Uma vez que domina o fluxo de trabalho e a superfície de extrusão única fita acima descrito, tornando explorar uma série de modelos atómicos, moleculares, e compostos, tal como ilustrado na Figura 4. Por exemplo, combina as representações da superfície e da fita para separar diferentes partes de um complexo (ver polimerase de ADN, Figura 4B). Criar modelos mais instrutivos e atraentes usando uma impressora dupla extrusão que pode derreter dois filamentos simultaneamente em um único objeto 3D (veja a Figura 4C). Alternativamente, peças pintura dos modelos (ver GuanINE e a hélice alfa, a Figura 4A). Imprimir e montar as subunidades de um complexo de proteínas, como o canal de sódio, ou levá-la ainda mais, imprimindo partes distintas de um complexo e montá-los mais tarde em um modelo maior, multi-color (veja os complexos de anticorpos HIV e ribossomais, Figura 4C). Tais modelos compostos são mais capazes de mostrar características funcionais em comparação com cópias de um único filamento. As cores diferentes pode-se destacar, por exemplo, glicosilação contra proteína (modelo HIV) ou RNA contra proteínas (ver modelo ribossomo, Figura 4C). Elas também permitem a criação de quebra-cabeças 3D educacionais, como a ligação do anticorpo à superfície do HIV (ver gp120 ligada por um anticorpo, a Figura 4C), onde apenas uma configuração 3D dá uma correlação muito próxima de ambas as partes. As instruções sobre a impressão estes modelos podem ser encontrados em suplemento 5. Além disso, nós fornecemos um vídeo suplementar que ilustra a construção de um modelo 3D de the Fo / F1 de protões do ATP sintase que foi impressa em pedaços e montada de uma tal maneira de modo que ele pode recapitular o mecanismo rotativo que ocorre durante esta enzimas mecanismo catalítico. Figura 1. Fluxo de trabalho para preparar e imprimir um modelo 3D. Ilustrado são as fases de produção de uma cópia física 3D biomolecular: (i) preparação do modelo, incluindo a selecção de representação; (Ii) abertura de um arquivo .stl salvo do modelo e processar o arquivo usando o software de corte; (Iii) a impressão do modelo e da escolha do material ou de filamentos; e, finalmente, (iv) executar as etapas de pós-produção.Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 2. Visuals de diferentes representações de modelos em vários estágios de preparação. Linha superior: representações comuns de dois modelos (ubiquitina (PDB 1UBQ) e arginina) visualizada usando o programa de Chimera. Linha do meio: O percurso de impressão gerada a partir dos modelos STL Quimera, colorido pelo tipo de recurso de ubiquitina e arginina (laranja: padrão de enchimento; azul escuro: casca exterior; luz azul: interior shell). Linha inferior: impressões finais de ubiquitina e arginina. Superficiais e dois fita modelos de ubiquitina impressa em 300% do padrão Chimera saída STL (Chimera padrão é 1 nm no modelo e 1 cm de impressão), enquanto o modelo de arginina wcomo impresso em 1.000%. A fita padrão ou vara modelos Quimera são muito finos para imprimir corretamente, mas as versões espessas irá imprimir de forma confiável. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 3. estudo de caso Nucleosome. (A) proteína H3 Single-histona proferida pelo espessamento "fitas", impressa em 300%. (B) histona H3 proteína representação "superfície", impressa em 200%. (C) proteína histona octâmero impressa a 100%. Octâmero (D) proteína histona (cor de laranja) em complexo com ADN flexível (branco) impressa a 100%. Modelo de superfície (E) Dinucleosome impresso com um raio da sonda padrão e impressos em escala de 100%. (F) Um mOdel da cromatina "fibra de 30 nm" criado pelo empilhamento manualmente modelos impressos individualmente do dinucleosome "10 nm", em que a superfície foi processado com um raio da sonda de 3 A, impressas em tamanhos de 50% e 25%, e mantido juntamente com Play-Doh. gravuras 3D foram gerados a partir de um modelo do dinucleosome (APO 1ZBB). Todos os modelos estão disponíveis gratuitamente para download no NIH 3D impressão Troca 11. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 4. Exemplos de modelos impressos em 3D produzido usando impressoras de filamentos. (A) Esquerda, um modelo de bolas e varetas de moléculas de água em cristais de gelo hexagonais (impressão dual-filamento). Oriente, modelo de um nucleótido (guanina). Direita, uma proteína alfa h Elix backbone-único modelo que mostra ligações de hidrogênio (preto). A guanina e a hélice alfa foram coloridas manualmente com canetas. (B) Esquerda, canal de sódio, composto de 4 subunidades que podem ser unidas (PDB 3E89). Médio, Plasmodium falciparum L-lactato desidrogenase (PDB 1T2D) impresso como fitas. Direita, modelo do local activo da ADN-polimerase (APO 1KLN), que mostra como o ADN e proteínas de superfície como fitas. (C) Esquerda, envelope lipídico HIV com glicoproteína (PDB 5FUU) vinculadas por anticorpos (PDB 1IGT), impressos em 15%. Oriente, detalhe da superfície do antigénio da glicoproteína a 150%, com a região variável do anticorpo como fitas (APO 5FYJ). Imediatamente, os modelos do bacteriana 70S Ribossoma (APO 4V5D) a 40% e 20%. As percentagens referem-se a quimera de saída padrão, em que 100% significa 1 nm na molécula impressões quanto 1 mm. Todos os modelos estão disponíveis gratuitamente para download no NIH 3D impressão Troca 11.oad / 55427 / 55427fig4large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

modelos 3D físicas de biomoléculas fornecer um complemento poderoso para métodos baseados em computador mais comuns de visualização. As propriedades adicionais de uma representação 3D física contribuem para a compreensão intuitiva da estrutura biomolecular. A construção de modelos 3D físicas de biomoléculas pode facilitar o seu estudo através do uso de uma forma que tira partido de modos bem desenvolvida de sensação humana. Modelos 3D servem não apenas como uma ajuda para o pesquisador, mas pode ser usado para facilitar atividades pedagógicas e pode aumentar o alcance dos resultados de aprendizagem 13, 14, 15. Imans podem ser adicionados aos modelos de plástico para permitir a montagem e desmontagem, como se mostra com um modelo de polipéptidos 16. Além disso, objectos 3D-impressa pode ser usada em investigação, tanto na fabricação de equipamento de laboratório 17, bem como para fazer microfldispositivos uidic para células 18 e modelos de cristais 19 ou neurônios 20. A manipulação de modelos físicos podem servir para promover discussões colaborativas que podem inspirar novos insights.

Os recentes desenvolvimentos em tecnologias de impressão 3D e reduções no custo de impressoras permite a criação de complexos modelos físicos 3D de biomoléculas por um usuário individual. Embora a tecnologia de impressão FFF é mais comum e menos caro do que outros métodos, que representa uma série de limitações. O processo de impressão em 3D é demorado, e falhas mecânicas que ocorrem. impressoras FFF normalmente só pode imprimir um material por parte, restringindo a exibição de informações de cor. A resolução dos modelos feitos em impressoras FFF é baixa, em torno de 100 mm por camada. Aconselhamos o leitor a trabalhar com essas limitações e desenvolver uma abordagem para a sua impressora e biomoléculas (s) de interesse. Nós apresentamos o processes necessários para um usuário desenvolver uma representação 3D costume de sua biomolécula de interesse que é preciso, informativo e de impressão. Tal como acontece com qualquer nova tecnologia, muitas vezes há "dores de crescimento" que devem ser superados durante o seu uso. Nós fornecemos vários exemplos onde os problemas podem ser encontradas no processo de biomoléculas de impressão 3D (ver suplemento 6).

Finalmente, através deste artigo, é o nosso objectivo de contribuir para o crescimento de uma comunidade de usuários que se dedicam à impressão 3D de biomoléculas. Importante, o NIH estabeleceu uma base de dados para o público a compartilhar modelos 3D e os métodos utilizados para imprimi-los 10. Nós encorajamos fortemente a participação no presente recurso exclusivo (ver suplemento 7 para obter instruções sobre como carregar uma impressão modelo 3D e informações de fundo para a Bolsa de impressão 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Del Re, G. Models and analogies in science. HYLE – International Journal for Philosophy of Chemistry. 6 (1), 5-15 (2000).
  2. 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).
  3. Corey, R. B., Pauling, L. Molecular models of amino acids, peptides, and proteins. The Review of Scientific Instruments. 24 (8), 621-627 (1953).
  4. Watson, J. D., Crick, F. H. C. A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature. 171, 737-738 (1953).
  5. 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).
  6. Berman, B. 3-D printing: The new industrial revolution. Business Horizons. 55 (2), 155-162 (2011).
  7. Meyer, S. 3D printing of protein models in an undergraduate laboratory: leucine zippers. Journal of Chemical Education. 92 (12), 2120-2125 (2015).
  8. Gillet, A., Sanner, M., Stoffler, D., Olson, A. Tangible Interfaces for Structural Molecular Biology. Structure. 13 (3), 483-491 (2005).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Morgan, A. J., et al. Simple and versatile 3D printed microfluidics using fused filament fabrication. PLoS ONE. 11 (4), e0152023 (2016).
  19. 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).
  20. McDougal, R. A., Shepherd, G. M. 3D-printer visualization of neuron models. Frontiers in Neuroinformatics. 9, 1-9 (2015).

Tags

3D PrintingBiomolecular ModelsStructural Data3D PrintersUCSF ChimeraSTL FileAutodesk NetFabbAutodesk MeshmixerSlicing Software

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Da Veiga Beltrame, E., Tyrwhitt-Drake, J., Roy, I., Shalaby, R., Suckale, J., Pomeranz Krummel, D. 3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy. J. Vis. Exp. (121), e55427, doi:10.3791/55427 (2017).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image