Araştırma ve Pedagoji için Biyomoleküler Modelleri 3D Baskı
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
fonksiyonu ve biyo-molekülün aktivitesi tam olarak anlaşılması, üç boyutlu (3D) yapısının belirlenmesini gerektirir. Bu, normalde, X-ışını kristalografisi, NMR, veya elektron mikroskobu kullanılarak elde edilir. 3D yapılar onlar 1 temsil yapıları andıran modelleri, ya da doğru nesnelerin algı yoluyla anlaşılabilir. Araştırmacılar, doğrulamak keşfetmek ve biyomoleküllerin fonksiyonu ile ilgili ortaya çıkan hipotez iletişim için Tarihsel olarak, fiziksel 3D modelleri yapımı gerekliydi. Böyle Watson-Crick'in DNA çift sarmal ve Pauling'in alfa sarmal gibi bu modeller, yapı-işlev ilişkilerinin içine benzersiz bir bakış açısı sağladı ve nükleik asit ve protein yapı-fonksiyon 2, 3, 4 bizim erken anlaşılmasına önemli idi. protein ve nükleik asit modeller oluşturulabilir, ancakzaman ve fiziksel bir model inşa maliyeti sonunda bilgisayar destekli moleküler görselleştirme görece kolay outweighed.
Ayrıca katkı imalat olarak bilinen 3D baskı, gelişimi, biyomoleküllerin 5 fiziksel modeller inşaatı etkin yine etmiştir. 3D baskı bir malzeme (ler) tabakalarının sırayla ilave bir dijital dosyasından bir fiziksel 3D nesne imal edilmesi için bir işlemdir. mekanizmaları çeşitli bu işlem kullanılır. Yakın zamana kadar, biyomoleküllerin fiziksel modeller üretmek için kullanılan makineler yaygın kullanılmak üzere çok pahalı idi. Ancak, son on yılda, 3D baskı teknolojisi, erimiş filament üretim (FFF), özellikle tüketici kullanımına 6 için erişilebilir hale ölçüde ilerlemiştir. FFF yazıcılar artık yüksek okul, kütüphane, üniversiteler ve laboratuvarlarda yaygın olarak mevcuttur. 3D baskı teknolojisi daha uygun fiyatta ve erişilebilirlikMümkün doğru, fiziksel 3D biyomoleküler modeller 7, 8, 9 içine dijital 3D biomoleküler modelleri dönüştürmek için yapmıştır. Bu tür modeller tek biyomoleküllerin basit temsillerini, ama aynı zamanda ribozom ve virüs kapsid yapıları gibi karmaşık makromoleküler meclisleri, sadece içerir. termoplastik çekme yöntemlerini kullanarak, özellikle Ancak, bireysel moleküllere ve makromoleküler meclisleri baskı süreci, çeşitli zorluklar teşkil etmektedir. Özellikle, biyomoleküllerin temsilleri genellikle yazıcılar üretmek için zor ve oluşturma ve başarıyla yazdırmak moleküler modelleme, 3D modelleme ve 3D yazıcı yazılımıyla birlikte beceri gerektirir olacak dijital işleme modelleri olan karmaşık geometrik var.
geniş bir biyomolekülü yazdırmak için 3D iş akışı dört adımda gerçekleşir: (1) 3D baskı için koordinat dosyadan biyomoleküler modeli hazırlanması;(2) modeli yazıcı için ve fiziksel biyomoleküler modeli desteklemek olacak bir destek yapısı oluşturmak için segmentine bir "dilimleme" yazılımı içine biyomoleküler modeli ithal; (3) Doğru filament seçerek ve 3D modeli baskı; ve (4) modelinden destek malzemesinin kaldırılması da dahil olmak üzere post-prodüksiyon işleme aşamaları, (Şekil 1 ve 2). hesaplama, biyomolekülün koordinat dosyası manipüle Bu süreçte ilk adım, kritik öneme sahiptir. Bu aşamada, kullanıcı dikmeler şeklinde model takviye inşa yanı sıra kullanıcı görüntülemek için seçtiği ne yabancı olan yapıları kaldırmak olabilir. Buna ek olarak, temsil seçimi, bu aşamada yapılır: Bir yüzey gösterimi, şeritler ve / veya tek tek atomları biyomolekülün tamamını veya bir kısmını görüntülemek için olup. Gerekli eklemeler ve / veya içerik çıkarmalar yapılır ve temsil seçildiğinde, yapı 3D mo olarak kaydedilirdel dosyası. Sonraki dosya biyomolekülün plastik kopyası içine tabaka ile 3D baskı basılabilir dosyaya, tabaka haline modeli dönüştürmek için ikinci bir yazılım programı açıldı.
Bizim protokol hedefi FFF yazıcılara erişimi değil, daha pahalı 3D baskı teknolojileri olan kullanıcılar çok sayıda moleküler modellerin fabrikasyon erişilebilir hale getirmektir. Burada, FFF baskı için optimize edilmiş yöntemlerle, 3D moleküler verilerden biyomoleküllerin 3D baskı için bir kılavuz sağlar. Karmaşık biyomoleküler yapılarının printability maksimize etmek ve fiziksel modeller basit post-processing sağlamak için nasıl Biz ayrıntı. Birkaç ortak baskı malzemelerinin veya ipliklerin özellikleri karşılaştırılır ve bunların kullanımına ilişkin öneriler esnek baskılar sağlanır oluşturun. Son olarak, biz farklı moleküler temsilleri kullanımını göstermek 3D baskılı biyomoleküler modelleri örnekleri bir dizi vitrin.
Protocol
Representative Results
Discussion
biyomoleküllerin fiziksel 3D modeller görselleştirme daha yaygın bilgisayar tabanlı yöntemlere güçlü bir tamamlayıcı sağlar. Bir fiziksel 3D temsil ek özellikler biyomoleküler yapının sezgisel anlayışa katkıda bulunmaktadır. biyomoleküllerin fiziksel 3D modellerin ve insan duyu gelişmiş çalışmanın avantajlı olduğu bir ortam kullanılması yoluyla çalışma kolaylaştırabilir. 3D modellerin araştırmacı için bir yardım olarak değil, sadece hizmet, ancak pedagojik faaliyetlerini kolaylaştırmak için kullanılabilir ve öğrenme 13, 14, 15 çıktıları başarılarını artırabilir. Mıknatıslar polipeptidler 16 bir model ile gösterildiği gibi, montaj ve demontaj sağlamak için plastik modeller eklenebilir. Ayrıca, 3D baskılı nesne microfl yapmak hem de laboratuar ekipmanları 17, imalat hem de araştırma, kullanılanhücreler 18 ve kristaller 19 ya da nöronlar 20 model uidic cihazlar. fiziksel modeller manipülasyonu yeni anlayışlar ilham kaynağı olabilir işbirlikçi tartışmaları teşvik etmek hizmet edebilir.
yazıcılar maliyeti 3D baskı teknolojileri ve indirimleri son gelişmeler bireysel kullanıcı tarafından biyomoleküllerin karmaşık fiziksel 3D modelleri oluşturulmasını sağlar. FFF baskı teknolojisi daha yaygın ve diğer yöntemlere göre daha ucuz olmasına rağmen, bu sınırlamalar bir takım oluşturmaktadır. 3D baskı işlemi zaman alıcıdır ve mekanik arızaları ortaya çıkabilir. FFF yazıcılar genellikle sadece renk bilgilerinin görüntülenmesini kısıtlayan, bölüm başına bir malzeme yazdırabilirsiniz. FFF yazıcılarda yapılan modellerin çözünürlük katman başına 100 mikron civarında, düşük. Biz okuyucu bu sınırlamalara ile çalışmak ve kendi ilgi yazıcı ve biyomolekül (ler) için bir yaklaşım geliştirmek için tavsiye ediyoruz. Biz proce sundukBir kullanıcı için gerekli D eğ, doğru, bilgilendirici ve basılabilir kendi ilgi biyomolekül özel bir 3D gösterimi geliştirmektir. herhangi bir yeni teknoloji olduğu gibi, onun kullanım esnasında aşılması gereken "büyüme sancıları" genellikle vardır. Biz sorunların 3D baskı biyomoleküllerin (ek 6) sürecinde karşılaşılabilecek birkaç örnek sunmak.
Son olarak, bu makale ile, bu biyomoleküllerin 3D baskı yapan kullanıcıların bir topluluğun büyümesine katkıda bulunmak bizim hedefimizdir. Önemlisi, NIH 3D modelleri paylaşmak için halk için bir veritabanı kurmuştur ve yöntemler onları 10 yazdırmak için kullanılır. Önemle bu eşsiz kaynağın (NIH 3D Baskı Exchange 3D model baskı ve arka plan bilgileri yüklemek için ilgili talimatlar için ek 7) katılımı teşvik ediyoruz.
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).
