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

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

La impresión 3D de Modelos de Investigación Biomolecular y Pedagogía

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

Una comprensión completa de la función y la actividad de una biomolécula requiere la determinación de su estructura tridimensional (3D). Esto se logra de forma rutinaria utilizando cristalografía de rayos X, RMN, o microscopía electrónica. Estructuras 3D se pueden entender a través de la percepción de los modelos u objetos precisos se asemejan a las estructuras que representan 1. Históricamente, la construcción de modelos físicos 3D era necesario que el investigador para validar, explorar, y se comunican las hipótesis resultantes con respecto a la función de las biomoléculas. Estos modelos, como el ADN de doble hélice de Watson-Crick y hélice alfa de Pauling, a condición de visión única de las relaciones estructura-función y fueron fundamentales para nuestra comprensión temprana de ácido nucleico y proteínas de estructura-función 2, 3, 4. Aunque los modelos de ácidos nucleicos de proteínas complejas y pueden ser creados, lael tiempo y el costo de la construcción de un modelo físico fue finalmente superado por la relativa facilidad de visualización molecular asistido por ordenador.

El desarrollo de la impresión en 3D, también conocido como aditivo de fabricación, de nuevo ha permitido la construcción de modelos físicos de biomoléculas 5. la impresión en 3D es el proceso de fabricación de un objeto físico, 3D a partir de un archivo digital a través de la adición secuencial de capas de un material (s). Una variedad de mecanismos se utilizan en este proceso. Hasta hace poco, las máquinas utilizadas para producir modelos físicos de biomoléculas eran demasiado caros para ser utilizado. Sin embargo, en la última década, la tecnología de impresión 3D, la fabricación de filamentos fusionados (FFF), en particular, ha avanzado de manera significativa, por lo que es accesible para uso de los consumidores 6. FFF impresoras ahora están comúnmente disponibles en las escuelas secundarias, bibliotecas, universidades y laboratorios. La mayor asequibilidad y accesibilidad de la tecnología de impresión 3Dha hecho posible convertir los modelos 3D biomoleculares digitales en modelos precisos, físicos 3D biomoleculares 7, 8, 9. Tales modelos incluyen no sólo representaciones simples de biomoléculas individuales, sino también a conjuntos macromoleculares complejas, tales como las estructuras de la cápside de ribosomas y de virus. Sin embargo, el proceso de impresión de biomoléculas individuales y conjuntos macromoleculares plantea varios problemas, en particular cuando se utilizan métodos de extrusión de termoplásticos. En particular, las representaciones de las biomoléculas a menudo tienen geometrías complejas que son difíciles para impresoras para producir y crear y procesar los modelos digitales que se imprimirán con éxito requiere habilidad con el modelado molecular, modelado en 3D y software de la impresora 3D.

El flujo de trabajo 3D para imprimir una biomolécula en términos generales se produce en cuatro etapas: (1) la preparación de un modelo biomolecular de su archivo de coordenadas para la impresión en 3D;(2) importar el modelo biomolecular en un software "de corte" para segmentar el modelo de la impresora y para generar una estructura de apoyo que va a sostener físicamente el modelo biomolecular; (3) seleccionar el filamento o la impresión correcta del modelo 3D; y (4) etapas de procesamiento post-producción, incluyendo la eliminación de material de apoyo del modelo (Figuras 1 y 2). El primer paso en este proceso, la manipulación de computacionalmente el archivo de coordenadas de la biomolécula, es crítica. En esta etapa, el usuario puede construir refuerzos modelo en forma de puntales, así como eliminar las estructuras que son extraños a lo que el usuario elige visualizar. Además, la elección de la representación se realiza en esta etapa: si se muestra la totalidad o parte de la biomolécula como una representación de la superficie, cintas, y / o átomos individuales. Una vez que las adiciones y / o restas de contenido se hacen necesarias y se selecciona la representación, la estructura se guarda como un mo 3Ddel archivo. A continuación, el archivo se abre en un segundo programa de software para convertir el modelo en un archivo de impresión 3D que se puede imprimir, capa por capa, en una réplica de plástico de la biomolécula.

El objetivo de nuestro protocolo es hacer que la fabricación de modelos moleculares accesible para el gran número de usuarios que tienen acceso a las impresoras de la FFF, pero no más caros tecnologías de impresión 3D. A continuación, ofrecemos una guía para la impresión en 3D de biomoléculas a partir de datos moleculares en 3D, con métodos que han sido optimizados para la impresión FFF. Detallamos cómo aprovechar al máximo la capacidad de impresión de las estructuras biomoleculares complejas y garantizar la sencilla post-procesamiento de modelos físicos. Las propiedades de los diversos materiales de impresión más comunes o filamentos se comparan, y las recomendaciones sobre su uso para crear impresiones se proporcionan flexibles. Finalmente, un escaparate de una serie de ejemplos de modelos impresos biomoleculares-3D que muestran el uso de diferentes representaciones moleculares.

Protocol

1. Preparación de archivos 3D modelo para la impresión NOTA: los archivos de modelos en 3D de biomoléculas se puede generar a través de dos métodos: (1) en línea utilizando las herramientas automatizadas de la impresión 3D Cambio NIH 10, o (2) a nivel local utilizando el software de modelado molecular. Automáticamente modelos generados utilizarán los procesos que se detallan en este protocolo para crear representaciones imprimibles, pero los detalles de la representación no puede ser elegido por el usuario. Por el contrario, la generación de modelo personalizado permite al usuario el control sobre las propiedades visuales de la biomolécula. átomos individuales, residuos, y los bonos se pueden mostrar, y la escala de cintas, lazos, y los puntales se pueden especificar. La impresión 3D Cambio NIH herramientas automatizadas y el protocolo a continuación tanto el uso de la UCSF Quimera, una fuente libre y abierto modelado molecular paquete de software 11 que se adapta bien a la exportación de archivos 3D de biomoléculas. Todos los archivos 3D exportados por angstroms uso de la quimerala unidad de distancia. Cuando estos archivos se importan en un software de fileteado en la unidad mm / distancia 1, los modelos serán escalados a los 10 millones de veces de aumento. Generar automáticamente un modelo de impresión 3D con la impresión 3D Cambio de NIH NOTA: La impresión 3D Cambio NIH ejecuta secuencias de comandos Chimera, que son similares a los pasos descritos en los pasos 1.2-1.3. Busque el archivo de datos moleculares de la estructura biomolecular para imprimir desde una base de datos, ya sea el AP, EMDB, o PubChem (suplemento 1.1). Registre el número de acceso para la biomolécula de interés. Navegue a la impresión 3D Cambio de NIH (3dprint.nih.gov) y crear una nueva cuenta de usuario, si un usuario por primera vez. Vaya a la característica "Enviar rápido", introduzca el código de biomolécula adhesión, y haga clic en enviar. Después de generar el modelo de la biomolécula, vaya a la página del modelo y descargue el archivo STL biomolécula en "cinta"O" "representación de la superficie. Pase a la sección 2 del protocolo. Generar un modelo personalizado molecular con UCSF Chimera NOTA: Mayor detalle sobre el uso de la quimera para hacer modelos en 3D, incluyendo los equivalentes de línea de comandos para muchos pasos, se puede encontrar en el suplemento 1.2. Descargar e instalar la UCSF Quimera (https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html). El uso de la quimera, recuperar el archivo de datos moleculares mediante uno de los siguientes: Uso de la barra de herramientas de comandos del archivo> Obtener por ID, introduzca un código de acceso PubChem, PDB, o EMDB para recuperar el archivo directamente desde la base de datos. Uso de la barra de herramientas de comando Archivo> Abrir, recuperar un archivo de datos moleculares local; De forma predeterminada, la molécula mostrará cintas de proteínas y ácidos nucleicos, átomos y enlaces para los ligandos, y los residuos dentro de los 5 Å de un liganre. El uso de la línea de comandos de la quimera, visitada por ir a Favoritos> de línea de comandos, utilice el comando Abrir e introduzca el código de acceso. Preparación de una representación 3D-imprimible de una biomolécula NOTA: Hay varias maneras de que una estructura biomolecular puede ser representada o representados. La selección de una representación particular para la impresión debe hacerse con base en la mejor forma de proporcionar la mayor penetración en la estructura-función de biomoléculas. Comúnmente utilizados incluyen representaciones "cintas", "superficie" y "átomos / bonos". Sin embargo, lo mejor es explorar el uso de una combinación de estas representaciones para mostrar selectas cadenas laterales o ligandos. Además, la estructura 3D-impresa debe ser lo suficientemente robusto para ser impreso y para no romper cuando se manipula. Por lo tanto, es importante tener en cuenta esto cuando la selección de una representación o visualización de una cadena lateral. Also considerar la introducción de estructuras de soporte, o "puntales". Por último, cuando se imprime el modelo, será importante para escalar de manera que todas las funciones se imprimirán correctamente. Así, por biomoléculas más grandes, impresión por completo en cintas o representaciones atómicas podría no ser factible debido a la escala a la que éstos tendrían que ser impreso. Generar una representación 3D imprimible en "cintas" Nota: Para más detalles se puede encontrar en el suplemento 1.2.1. Seleccione el "disolvente", visible, que incluye iones, mediante el uso de Select> Estructura> disolvente. Ocultar el seleccionado "solvente" Uso de acciones> Los átomos / enlaces> Ocultar. Espesar el diámetro de la cinta de modo que se puede imprimir correctamente. Utilice el menú de la cinta Style Editor en Herramientas> Representación. NOTA: Noggested parámetros de un intento inicial: en la pestaña Escala, cambiar la altura de cada artículo para al menos el 0,7 y el ancho de cada parámetro para al menos lo siguiente: Bobina 0,7; Helix 1.4; Hoja: 1,4; Flecha (base): 2.1; Flecha (punta) 0,7; Nucleicos 1.0. Si un ácido nucleico está presente, alterar la representación de base con Acciones> Los átomos / enlaces> objetos> Ajustes de nucleótidos. Cambiar la visualización de azúcar / base a la escala y el radio peldaño a 0,6. Opcional: Continúe con el punto 1.3.3 para introducir las estructuras de apoyo. Generar una representación 3D-imprimible "superficie" de la molécula NOTA: Para más detalles se puede encontrar en el suplemento 1.2.2. Ocultar todas las representaciones anteriores. Utilice Acciones> Átomos / enlaces> Ocultar y acciones> Cintas>esconder. Cuando la prestación átomos como esferas, ajustar el radio seleccionando el átomo (s) deseada e ir al menú Acciones> Inspeccionar. NOTA: El cambio del radio atómico por defecto puede hacer que sea más fácil distinguir los diferentes tipos de átomos en el modelo impreso. Ocultar cualquier cintas, átomos, bonos y pseudobonds muestra mediante Actuaciones> Los átomos / enlaces> ocultar y acciones> Cintas> Ocultar. Si se desea detalles de la superficie, añadir átomos de hidrógeno de modo que el cálculo de la superficie es más precisa. Utilice Herramientas> Estructura edición> TDAH. Generar una superficie mediante la introducción de surf # 0 cuadrícula de 0,5 en la línea de comandos. Generar una representación 3D imprimible en "átomos / bonos." NOTA: Para más detalles se puede encontrar en el suplemento 1.2.3. Ocultar el disolvente. UtilizarSeleccionar> Estructura> disolvente y después en Acciones> Los átomos / enlaces> ocultar. Mostrar residuos específicos y / o ligandos en la representación como átomos y enlaces seleccionando y mostrando con acciones> Los átomos / enlaces> show. La forma más átomos están representados puede ser modificada en el Acciones> Los átomos / Bonds desplegable seleccionando palo, bola y palo, o esfera. Después de hacer una selección, aumentar el radio de la barra o bola y palo con las representaciones menú Acciones> Inspeccionar. Opcional: Continúe con el punto 1.3.4 para introducir las estructuras de apoyo. Adición de soporte estructural a una representación 3D imprimible NOTA: Para más detalles se puede encontrar en los suplementos 1.2.4 y 1.2.5. En esta etapa, los puntales se pueden añadir al modelo 3D. Se recomienda para la alfa-hélices y estructuras secundarias de láminas beta para incluir enlaces de hidrógeno de cadena principal para la estabilidad, a pesar de las pequeñas proteínas (es decir, menos de 50 restos) se representan a menudo como una cinta con un espesor típico y pueden imprimir bien sin ese apoyo. Sin embargo, para las proteínas más grandes, incluso con la adición de enlaces de hidrógeno, muchos modelos de cinta son todavía demasiado delicado para ser impreso con éxito. Puntales son conexiones físicas dentro del modelo que no reflejan ninguna propiedad molecular, pero añadir a la resistencia mecánica, lo que facilita la impresión y gastos de envío. Quimera ofrece una forma rápida de añadir automáticamente los puntales de un modelo con el comando puntal a través de la línea de comandos y puntales individuales también puede ser visualizado de forma manual utilizando la herramienta de distancias. Mostrar enlaces de hidrógeno para preparar una impresión más robusto. Utilice el menú Herramientas> Análisis de la estructura> FindHBond. Utilice Herramientas> Cont generalROLS> Panel de PseudoBond para modificar los enlaces de hidrógeno. Seleccionar los pseudobonds "enlace de hidrógeno", haga clic en el botón de atributos y marca la casilla "Componente PseudoBond Atributos". En el panel inferior, cambiar el estilo de unión de alambre de pegarse y el valor del radio de 0,2 a 0,6. Opcional: Añadir estructura de soporte (s), o "puntales", usando el comando puntales. Para crear varillas azules con un radio de 1,0 Å en el carbono alfa de cada 70 residuos no más de 8 Å aparte, utilice el comando: puntales @ca longitud 8 de bucle 70 de color azul rad 1.0 fattenRibbon falsa. Opcional: Para crear puntales individuales con la herramienta Distancias, seleccione dos átomos de turno-ctrl-clic sobre cada uno de ellos, utilice Herramientas> Análisis de la estructura> Las distancias, y haga clic en Crear para agregar un pseudobond. navigate para el Panel PseudoBond, seleccionar los pseudobonds "del monitor de distancia", haga clic en el botón de atributos, y marque la casilla "Componente PseudoBond Atributos". En el panel inferior, cambiar el estilo de unión de alambre de pegarse y el valor del radio de 0,2 a 0,01. La exportación de la prestación Quimera como un archivo de modelo 3D STL Una vez que se ha obtenido la representación deseada, utilice Archivo> Exportar escena para exportar el archivo 3D. Seleccionar STL como el tipo de archivo y el nombre y guardar el modelo. Nota: Este archivo STL se puede reparar, orientada, y se imprime como se describe en la sección 2 del protocolo. 2. Proceso de archivos STL para su impresión Reparación de archivos STL con Autodesk Netfabb NOTA: Un modelo puede requerir reparación cuando contiene múltiples piezas superpuestas con el intersecting geometrías, lo cual es generalmente el caso con los modelos de cinta y modelos atómicos. La superposición de la geometría puede causar errores cuando el archivo es leído por algún tipo de software de corte, como regiones que se cruzan pueden ser interpretados como el exterior del modelo. Más detalles se pueden encontrar en el suplemento 2.1. Descargar e instalar la versión estándar del software. Abrir el programa e importar el archivo STL para ser reparado. Si hay problemas con la malla, se mostrará una señal de advertencia. Use Extras> Pieza de reparación automática, seleccione Reparar extendido, y espere mientras se procesa el archivo; para los modelos pequeños, esto llevará segundos, pero para modelos de gran tamaño, puede tardar minutos. Haga clic derecho en el modelo y seleccione Parte Exportar> Como STL o utilizar Proyecto> Exportar proyecto como STL para salvar el modelo reparado; El programa aportará "reparado" a lanombre de archivo para distinguirlo del archivo original. Orient modelos para la impresión con Autodesk Meshmixer NOTA: la orientación óptima de un modelo antes de rebanar se reducirá el número de salientes y por lo tanto el número de soportes necesarios durante el proceso de impresión. Un modelo orientado de forma óptima se imprimirá más rápido, utilizar menos material, y será menos probable que falle durante la impresión. Más detalles se pueden encontrar en el suplemento 2.2. Descargar e instalar el software Importe el archivo STL reparado en el programa. Seleccione Análisis> Orientación. Ajustar el valor de Peso Resistencia a 100, valor Apoyo Vol peso a 0, Área de Soporte de peso a 0, y luego actualizar el modelo. Esto hará girar el modelo para reducir al mínimo el número de salientes. Aceptar la orientación resultante. Utilice Archivo> Exportar y seleccione el archivo STL binario desde el menú desplegable. Guarda el archivo. 3. El rebanar y prensa Seleccionar un material de filamento NOTA: La selección de un material de impresión se debe hacer antes de utilizar un software de corte, como la configuración de impresión serán diferentes para el material seleccionado. Los tres materiales que se utilizan ampliamente son el ácido poliláctico (PLA), elastómeros termoplásticos (TPE), y acrilonitrilo butadieno estireno (ABS). PLA es generalmente el material más eficaz para la impresión de modelos moleculares detallados, cuando se enfría rápidamente, se adhiere bien a la placa de construcción, y rara vez urdimbres. TPE es un material similar a la PLA y se puede utilizar para producir modelos flexibles. Se recomienda para los modelos de superficie de proteínas complementarias o modelos de cinta de proteínas. ABS es más fuerte y más flexible que PLA, pero produce partículas potencialmente peligrosas durante la impresión 12. Por lo general, no se recomienda para la impresión de modelos moleculares, como los resultados de las temperaturas más altas de material en less la producción precisa de características pequeñas. Más detalles se pueden encontrar en el suplemento 3.1. Impresión con ácido poliláctico (PLA). Ajuste la temperatura de la boquilla a 210 ° C. Para asegurar la adherencia de la parte de la cama, ajuste la temperatura del lecho a 70 ° C. Si se utiliza una cama sin calefacción, cubrirlo con cinta de pintor. Utilice refrigeración activa. Impresión con elastómeros termoplásticos (TPE) Repita el paso 3.1.1.1. Ajuste la velocidad de impresión de hasta 1.200 mm / min o menos. Impresión con acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) No utilice refrigeración. Ajuste la temperatura de la boquilla a 240 ° C. Para asegurar la adherencia de la parte de la cama, ajuste la temperatura del lecho a 110 ° C. Generar código G NOTA: El modelo se importará en 10 millones de veces de aumento de forma predeterminada. modelos de cinta deben ser escalados a 20 millones de veces (200%) o mayor. Los modelos de superficie print bien en 100% o mayor. Más detalles se pueden encontrar en el suplemento 3.2. Descargar e instalar el software de impresión de corte. Utilice Archivo> Importar Modelo y seleccione el archivo STL reparado y orientado. Escalar el modelo haciendo doble clic en el modelo e introducir el factor de escala en la ventana en el lado derecho de la pantalla. Generar estructuras de apoyo para el modelo. Seleccionar el icono de soporte y utilizar soportes normales, con una resolución pilar de 1 y un ángulo de pendiente máxima de 50 °. Haga clic en generar todos los soportes. Añadir o eliminar características de la estructura de soporte de personalizar la colocación de soporte. Seleccione un proceso y haga clic en Editar configuración de proceso. Configurar el perfil para la impresora y el material que se utiliza. NOTA: Una balsa y ala deben ser incluidos, y los modelos de cinta se deben imprimir al 100% de relleno. La configuración detallada del perfil se pueden encontrar en supplemeNT 3.2. Convertir el modelo en un archivo de código G que puede ser leído por la impresora. Haga clic en el "preparar para imprimir" botón y seleccionar el proceso que contiene el perfil de la impresora / material. Observar la trayectoria de la boquilla de la impresora y compruebe que no haya errores que podrían causar una impresión falle. Nota: los errores que pueden causar la impresión de que falle incluyen la ausencia de apoyos bajo salientes, cavidades indeseadas, capas que faltan, o áreas que son demasiado delgadas para imprimir. Guarde el archivo de código G en el escritorio o directamente en una tarjeta SD. Operar la impresora NOTA: Cada impresora marca o modelo es único, y su preparación y de calibración para la impresión variará en consecuencia. Consulte el manual de la impresora. Asegúrese de que la estación de trabajo se conecta a la impresora o que la tarjeta SD con gcode está en la impresora. Preparar la impresora cargando el filamento y la garantía de que la cama es de nivel;para obtener instrucciones sobre estos procedimientos, consulte el manual de la impresora. Iniciar la impresión desde el ordenador o localmente desde una tarjeta SD a través del menú de la impresora. Ver la impresión hasta que una primera capa se ha completado con éxito. Si hay algún error en la primera capa, interrumpir y reiniciar la impresión. 4. Post-producción de Procesamiento NOTA: Atención, por supuesto, debe tenerse en esto, la final, el escenario. estructuras de soporte en el modelo deben ser eliminados. Esto generalmente se realiza de forma manual, a pesar de los enfoques alternativos, como el uso de un soporte soluble, se pueden utilizar; ver anexo 4. Separar la impresión de la placa de construcción, tirando de él hacia los lados. Si la balsa se adhiere fuertemente a la placa de construcción, separarla mediante la inserción de un borde afilado entre ellos. Retire las estructuras de soporte del modelo. Muchos soportes se pueden quitar a mano, rompiéndolas fuera de la pieza y la raft. modelos flexibles se puede separar tirando de ellos fuera de la pieza. Para soportes que son difíciles de alcanzar o están conectados a estructuras delicadas, utilizan unos alicates de corte para recortar el punto donde el soporte se conecta a la parte.

Representative Results

Modelos imprimibles 3D estables e informativas de las biomoléculas se pueden preparar por: (i) bonos espesantes para proporcionar estabilidad, (ii) seleccionando cuidadosamente el tipo de representación de estructura secundaria o estilo que proporcionaría el mayor penetración y la estabilidad, (iii) impresión de la biomolécula en más de una representación molecular, (iv) el uso de un filamento que hará que la totalidad o parte de una biomolécula flexibles, o (v) generar un conjunto complejo que es modular (es decir, en piezas que se pueden conectar). Para ilustrar cómo imprimir dichos modelos informativos y estables, nos hemos centrado en los componentes de la cromatina y en la producción de un modelo hipotético de la cromatina. La cromatina es un conjunto de proteínas de ADN de alta complejidad. La subunidad de la proteína fundamental de la cromatina es la proteína histona. Hay cuatro proteínas histonas, cada uno compuesto de una hélice-loop-hélice (un "histona veces") seguido de una hélice alfa extendida y una segunda "pliegue de la histona." Estructura de la proteína histona se puede producir fácilmente mediante el uso de una representación "cinta" (Figura 3A). Alternativamente, la estructura de las proteínas histonas se puede visualizar utilizando sólo su superficie (Figura 3B). Hay dos copias de cada una de las cuatro proteínas histonas, que se ensamblan para formar un octámero de histona globular. El octámero de histona es demasiado grande para imprimir en su totalidad como una representación de la cinta o palo, debido a la mayor escala en la que estas características deben ser impresos. Por lo tanto, un conjunto de proteínas tan grande se visualiza mejor usando representación de la superficie (Figura 3C). ADN trazar un camino alrededor del octámero de histonas para formar una partícula de núcleo nucleosoma 10 nm de diámetro. El camino de la DNA mejor se puede mostrar mediante la impresión de dos modelos separados y el uso de un filamento flexible para el ADN (Figura 3D). partículas del núcleo de nucleosomas se apilanuna sobre la otra para formar un conjunto de orden superior, una "fibra", 30 nm de diámetro una estructura suprahelical zurdo. Para ilustrar mejor cómo las partículas de núcleo de 10 nm de nucleosomas pueden apilar para formar un conjunto de la cromatina de 30 nm, de impresión individuales partículas "di-nucleosomas" (Figura 3E) y luego apilarlos después de la impresión (Figura 3F). Una vez que domina la superficie de extrusión y la cinta de flujo de trabajo solo se ha descrito anteriormente, haciendo explorar una gama de modelos atómicos, moleculares y compuestos, como se ilustra en la Figura 4. Por ejemplo, se combinan las representaciones de la superficie y la cinta para establecer aparte diferentes partes de un complejo (véase la ADN polimerasa, la Figura 4B). Hacer modelos más instructivos y atractivos mediante el uso de una impresora de extrusión dual que puede fundir dos filamentos de forma simultánea en un único objeto 3D (véase la figura 4C). Alternativamente, las piezas de pintura de los modelos (ver guanINE y la hélice alfa, Figura 4A). Imprimir y armar las subunidades de un complejo de proteínas, al igual que el canal de sodio, o llevarlo aún más lejos mediante la impresión de distintas partes de un complejo y montaje de ellos más tarde en un modelo más grande de varios colores (ver los complejos de VIH-anticuerpo y ribosomal, la figura 4C). Tales modelos compuestos son más capaces de mostrar las características funcionales en comparación con las impresiones de un solo filamento. Los diferentes colores se destacan, por ejemplo, glicosilación en comparación con la proteína (modelo VIH) o ARN en comparación con la proteína (véase el modelo ribosoma, la figura 4C). También permiten la creación de rompecabezas en 3D educativos, como el anticuerpo de unión a la superficie del VIH (ver gp120 unido por el anticuerpo, la Figura 4C), donde sólo una configuración 3D da un ajuste apretado de las dos partes. Las instrucciones sobre la impresión de estos modelos se pueden encontrar en el suplemento 5. Además, hemos proporcionado un video complementario que ilustra la construcción de un modelo 3D de THe Fo / F1 de protones ATP sintasa que fue impreso en piezas y montado de tal manera para que se pueda repetir el mecanismo rotatorio que se produce durante este enzimas de mecanismo catalítico. Figura 1. Flujo de trabajo para preparar e imprimir un modelo 3D. Se ilustran las etapas en la producción de una impresión física 3D biomolecular: (i) preparar el modelo, incluyendo la selección de la representación; (Ii) abrir un archivo .stl guardada del modelo y procesar el archivo mediante el software de corte; (Iii) la impresión del modelo y la elección del material o filamento; y finalmente, (iv) realizar las etapas de post-producción.Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2. visuales de diferentes representaciones de modelos en diversas etapas de la preparación. Fila superior: representaciones comunes de los dos modelos (ubiquitina (PDB 1UBQ) y arginina) visualizado utilizando el programa de la quimera. Fila central: La trayectoria de impresión generada a partir de los modelos STL Chimera, coloreado por el tipo de entidad de la ubiquitina y la arginina (naranja: Modelo de relleno; azul oscuro: carcasa exterior; azul claro: la cáscara interior). Fila inferior: Impresiones Finales de la ubiquitina y arginina. Los modelos de superficie y dos cinta de ubiquitina imprimen al 300% de la salida STL Quimera por defecto (por defecto es la quimera 1 nm en el modelo y 1 cm de impresión), mientras que el modelo arginina wTal como aparece en 1,000%. Los modelos de cinta por defecto o de palo Chimera son demasiado delgadas para poder imprimir correctamente, pero las versiones espesadas se imprimirán de forma fiable. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3. Estudio de caso Nucleosoma. (A) proteína histona H3 solo dictada por el engrosamiento "cintas", impreso en un 300%. (B) la proteína histona H3 representación "superficie", impreso en un 200%. (C) proteína histona octámero impreso en 100%. Octámero (D) proteína histona (de color naranja) en el complejo con el ADN flexible (blanco) impreso en 100%. Modelo de superficie (E) Dinucleosome impreso con un radio predeterminado de la sonda y se imprime en escala de 100%. (F) A mOdel de la cromatina "de fibra de 30 nm" creado apilando manualmente los modelos impresos de forma individual de la dinucleosome "de 10 nm", donde la superficie se hizo con un radio de la sonda de 3 Å, impresa en el 50% y el 25% tamaños, y se mantiene junto con plastilina. grabados 3D se generan a partir de un modelo de la dinucleosome (PDB 1ZBB). Todos los modelos están disponibles gratuitamente para su descarga en la impresión 3D Cambio NIH 11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 4. Ejemplos de modelos impresos en 3D producidas utilizando impresoras de filamento. (A) Izquierda, un modelo de bola y palo de moléculas de agua en los cristales de hielo hexagonales (impresión de doble filamento). Oriente, el modelo de un nucleótido (guanina). Derecha, una proteína alfa h Elix-espina dorsal único modelo que muestra los enlaces de hidrógeno (negro). Guanina y la hélice alfa fueron coloreadas manualmente con sharpies. (B) izquierdo, canal de sodio, compuesto de 4 subunidades que se pueden unir (PDB 3E89). Media, Plasmodium falciparum L-lactato deshidrogenasa (AP 1T2D) imprime como cintas. Derecha, modelo del sitio activo de la polimerasa de ADN (PDB 1KLN), que muestra de ADN como de la superficie y la proteína como cintas. (C) Izquierda, envoltura lipídica con VIH glicoproteína (AP 5FUU) unen los anticuerpos (AP) 1IGT, impresas en un 15%. Medio, detalle de la superficie del antígeno glicoproteína a 150%, con la región variable del anticuerpo se muestra como cintas (PDB 5FYJ). Derecha, modelos del ribosoma bacteriano 70S (AP 4V5D) en 40% y 20%. Los porcentajes se refieren a la salida estándar Quimera, donde el 100% significa que 1 nm en los grabados de moléculas como 1 mm. Todos los modelos están disponibles gratuitamente para su descarga en la impresión 3D Cambio NIH 11.OAD / 55427 / 55427fig4large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

Physical 3D models of biomolecules provide a powerful complement to more common computer-based methods of visualization. The additional properties of a physical 3D representation contribute to the intuitive understanding of biomolecular structure. The construction of physical 3D models of biomolecules can facilitate their study through the use of a medium that takes advantage of well-developed modes of human sensation. 3D models serve not only as an aid to the researcher, but may be used to facilitate pedagogical activities and can increase the achievement of learning outcomes13,14,15. Magnets can be added to plastic models to allow for assembly and disassembly, as shown with a model of polypeptides16. Also, 3D-printed objects can be used in research, both in the manufacturing of lab equipment17, as well as to make microfluidic devices for cells18 and models of crystals19 or neurons20. The manipulation of physical models can serve to promote collaborative discussions that can inspire new insights.

Recent developments in 3D printing technologies and reductions in the cost of printers enables the creation of complex, physical 3D models of biomolecules by an individual user. Although FFF printing technology is more common and less expensive than other methods, it poses a number of limitations. The 3D printing process is time consuming, and mechanical failures do occur. FFF printers can usually only print one material per part, restricting the display of color information. The resolution of models made on FFF printers is low, around 100 µm per layer. We advise the reader to work with these limitations and to develop an approach for their printer and biomolecule(s) of interest. We have presented the processes required for a user to develop a custom 3D representation of their biomolecule of interest that is accurate, informative, and printable. As with any new technology, there are often "growing pains" that must be overcome during its usage. We provide several examples where problems may be encountered in the process of 3D printing biomolecules (see supplement 6).

Finally, through this article, it is our objective to contribute to the growth of a community of users engaged in the 3D printing of biomolecules. Importantly, the NIH has established a database for the public to share 3D models and the methods used to print them10. We strongly encourage participation in this unique resource (see supplement 7 for instructions on how to upload a 3D model print and background information to the NIH 3D Print Exchange).

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