3D печать биомолекулярной модели для исследования и педагогики
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
Глубокое понимание функции и активности биомолекулы требует определения его трехмерной (3D) структуры. Это обычно достигается с помощью рентгеновской кристаллографии, ЯМР, или электронной микроскопии. 3D структуры могут быть поняты через восприятие моделей или объектов , напоминающих точных структур , которые они представляют 1. Исторически сложилось так, построение физических 3D-моделей было необходимо для исследователей, чтобы проверить, исследовать и передавать полученные гипотезы относительно функции биомолекул. Эти модели, такие как двойной спирали ДНК Уотсона-Крика и альфа – спирали Полинга, при условии , уникальное понимание структурно-функциональных отношений и имеют решающее значение для нашего раннего понимания нуклеиновой кислоты и белковой структуры-функции 2, 3, 4. Несмотря на то, сложный белок, и модели нуклеиновых кислот могут быть созданы,время и стоимость строительства физической модели в конечном итоге перевешивают относительной легкости компьютерного молекулярной визуализации.
Развитие 3D – печати, также известный как аддитивного производства, вновь позволило строительство физических моделей биомолекул 5. 3D печать является процесс изготовления физического, 3D объект из цифрового файла с помощью последовательного добавления слоев материала (ов). Существуют разнообразные механизмы, используемые в этом процессе. До недавнего времени, машины, используемые для производства физических моделей биомолекул были слишком дорогими, чтобы быть широко использованы. Тем не менее, в последнее десятилетие технологии 3D печати, плавленый изготовление нити (FFF) , в частности, значительно продвинулась, что делает его доступным для бытового использования 6. FFF принтеры в настоящее время широко доступны в средних школах, библиотеках, университетах и лабораториях. Чем больше доступность и доступность технологии 3D печатисделало возможным преобразовать цифровые 3D модели биомолекул в точные, физические 3D модели биомолекулярными 7, 8, 9. Такие модели включают в себя не только простые представления одиночных биомолекул, но и сложные высокомолекулярные узлы, такие как рибосомы и вирусного капсида структур. Тем не менее, процесс печати отдельных биомолекул и высокомолекулярные сборки создает ряд проблем, в частности, при использовании термопластичных методов экструзии. В частности, представления биомолекул часто имеют сложные геометрические формы, которые трудно для принтеров производства, а также создания и обработки цифровых моделей, которые будут печататься успешно требует навыка с молекулярного моделирования, 3D-моделирования и программного обеспечения принтера 3D.
3D рабочий процесс для печати биомолекулы широко встречается в четыре этапа: (1) приготовление биомолекулярной модель из ее файла координат для 3D-печати;(2) импортировать биомолекулярной модель в программное обеспечение "нарезка" для сегмента модель принтера и сформировать структуру поддержки, которая будет физически подпирать биомолекулярной модель; (3) выбор правильной нити и печать 3D-модели; и (4) стадии обработки после производства, включая удаление материала подложки из модели (рисунки 1 и 2). Первым шагом в этом процессе, в вычислительном отношении манипулирования координатную файл биомолекулы, имеет решающее значение. На этом этапе пользователь может построить модель армирование в виде распорки, а также удалить структуры, которые постороннее к тому, что пользователь выбирает для отображения. Кроме того, выбор представления сделан на данном этапе: следует ли отображать все или часть биомолекулы в качестве поверхностного представления, ленты, и / или отдельных атомов. После того, как необходимые дополнения и / или сокращениях содержания сделаны и выбирается представление, структура сохраняется в виде 3D-модель-файла. Затем файл будет открыт во второй программной программы для преобразования модели в файл печати 3D, который может быть напечатан, слой за слоем, в пластиковой копией биомолекулы.
Цель нашего протокола, чтобы сделать изготовление молекулярных моделей доступны для большого количества пользователей, имеющих доступ к FFF принтерам, но не более дорогие 3D технологии печати. Здесь мы предоставляем руководство для 3D печати биомолекул из молекулярных данных 3D, с помощью методов, которые оптимизированы для FFF печати. Мы подробно, как максимально сложных печатных свойств биомолекулярных структур и обеспечивают простую последующую обработку физических моделей. Свойства нескольких общих печатных материалов или нитей сравниваются, а также рекомендации по их использованию для создания предусмотрены гибкие печатные издания. Наконец, мы представляем ряд примеров 3D-моделей печатных биомолекул, которые демонстрируют использование различных молекулярных представлений.
Protocol
Representative Results
Discussion
Физические 3D модели биомолекул обеспечивают мощный дополнение к наиболее распространенных компьютерных методов визуализации. Дополнительные свойства физического 3D представления способствуют интуитивному пониманию биомолекулярной структуры. Построение физических 3D модели биомолекул может облегчить их исследование путем использования среды, что дает возможность использовать преимущества хорошо развитых режимов ощущения человека. 3D модели служат не только в качестве вспомогательного средства для исследователя, но может быть использован для облегчения педагогической деятельности и может повысить достижение результатов обучения 13, 14, 15. Магниты могут быть добавлены к пластиковым моделям , чтобы для монтажа и демонтажа, как показано с моделью полипептидов 16. Кроме того , 3D-объектов печати могут быть использованы в исследованиях, как в производстве лабораторного оборудования 17, а также , чтобы сделать microfluidic устройства для ячеек 18 и моделей кристаллов 19 или 20 нейронов. Манипуляции физических моделей может служить для продвижения совместных дискуссий, которые могут вдохновить на новые идеи.
Новейшие разработки в области технологий печати 3D и снижение стоимости принтеров позволяет создавать сложные, физические 3D модели биомолекул отдельным пользователем. Хотя FFF технология печати является более распространенным и менее дорогим, чем другие методы, он создает ряд ограничений. Процесс 3D печати занимает много времени, и происходят механические повреждения. FFF принтеры обычно могут печатать только один материал на части, ограничивая отображение информации о цвете. Разрешение моделей, сделанных на FFF принтеров является низким, около 100 мкм на слой. Мы советуем читателю работать с этими ограничениями и разработать подход для их принтера и биомолекул (ы), представляющих интерес. Мы представили процеГСЭС необходимые для пользователя, чтобы разработать собственное 3D представление их интересов биомолекулы, которая является точной, информативным и печати. Как и с любой новой технологией, часто "болезнь роста", которые должны быть преодолены в процессе его использования. Приведем несколько примеров, в которых могут возникнуть проблемы в процессе 3D биомолекул печати (см Дополнение 6).
Наконец, в этой статье, это наша цель, чтобы способствовать росту сообщества пользователей, участвующих в 3D печати биомолекул. Важно отметить, что NIH создала базу данных для общественности , чтобы совместно использовать 3D – модели и методы , используемые для их печати 10. Мы настоятельно рекомендуем участие в этом уникальном ресурсе (см Дополнение 7 для получения инструкций о том, как загрузить 3D-модели печати и справочную информацию в NIH 3D печати биржи).
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).
