Impression 3D des modèles biomoléculaires pour la recherche et la pédagogie

Résumé

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.

Résumé

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

Une compréhension approfondie de la fonction et l'activité d'une biomolécule nécessite la détermination de ses trois dimensions (3D) structure. Ceci est couramment réalisé à l'aide cristallographie aux rayons X, RMN, ou la microscopie électronique. Structures 3D peuvent être compris à travers la perception des modèles ou des objets précis qui ressemblent aux structures qu'ils représentent ^1. Historiquement, la construction de modèles physiques en 3D était nécessaire pour les enquêteurs de valider, d'explorer et de communiquer les hypothèses résultant en ce qui concerne la fonction de biomolécules. Ces modèles, tels que la double hélice de l' ADN de Watson-Crick et l' alpha de l' hélice de Pauling, ont donné un aperçu unique sur les relations structure-fonction et étaient essentiels à notre compréhension précoce de l' acide nucléique et la protéine structure-fonction ^{2, 3, 4.} Bien que les complexes de protéines et d'acides nucléiques modèles peuvent être créés, lele temps et le coût de la construction d'un modèle physique a finalement été compensés par la relative facilité de visualisation moléculaire assistée par ordinateur.

Le développement de l' impression 3D, également connu comme additif de fabrication, a de nouveau permis la construction de modèles physiques de biomolécules ^5. L'impression 3D est le processus de fabrication, un objet physique en 3D à partir d'un fichier numérique à travers l'addition séquentielle de couches d'un matériau (s). Différents mécanismes sont utilisés dans ce processus. Jusqu'à récemment, les machines utilisées pour produire des modèles physiques de biomolécules étaient trop chers pour être largement utilisé. Cependant, dans la dernière décennie, la technologie d'impression 3D, fusionnée filament fabrication (FFF) , en particulier, a progressé de manière significative, le rendant accessible pour l' usage des consommateurs ^6. imprimantes FFF sont maintenant couramment disponibles dans les écoles secondaires, les bibliothèques, les universités et les laboratoires. La plus grande abordabilité et l'accessibilité de la technologie d'impression 3Da permis de convertir des modèles 3D biomoléculaires numériques en précision, les modèles 3D biomoléculaires physiques ^{7, 8, 9.} Ces modèles comprennent non seulement des représentations simples de biomolécules uniques, mais aussi des ensembles macromoléculaires complexes, tels que les ribosomes et les virus structures de capside. Cependant, le processus d'impression des biomolécules individuelles et des assemblages macromoléculaires pose plusieurs défis, en particulier lors de l'utilisation des procédés d'extrusion thermoplastique. En particulier, les représentations de biomolécules ont souvent des géométries complexes qui sont difficiles pour les imprimantes à produire, et la création et le traitement des modèles numériques qui seront imprimées avec succès exige des compétences avec la modélisation moléculaire, modélisation 3D, et le logiciel de l'imprimante 3D.

Le flux de travail 3D pour l'impression d'une biomolécule large se produit en quatre étapes: (1) la préparation d'un modèle biomoléculaire de son fichier de coordonnées pour l'impression 3D;(2) d'importer le modèle biomoléculaire dans un logiciel «tranchage» pour segmenter le modèle de l'imprimante et de générer une structure de soutien qui physiquement soutenir le modèle biomoléculaire; (3) sélectionner le bon filament et l'impression du modèle 3D; et (4) étapes de traitement post-production, y compris enlèvement de matière de support à partir du modèle (figures 1 et 2). La première étape de ce processus, la manipulation de calcul du fichier de coordonnées de la biomolécule, est critique. A ce stade, l'utilisateur peut construire des renforts de modèle sous la forme d'entretoises, ainsi que de retirer des structures qui sont étrangères à ce que l'utilisateur choisit d'afficher. En outre, le choix de la représentation est faite à ce stade: si vous souhaitez afficher tout ou partie de la biomolécule comme une représentation de surface, des rubans, et / ou des atomes individuels. Une fois les additions et / ou des soustractions de contenu nécessaires sont faites et la représentation est sélectionnée, la structure est enregistrée en tant que mo 3Dfichier del. Ensuite, le fichier est ouvert dans un second programme de logiciel pour convertir le modèle dans un fichier d'impression 3D qui peut être imprimé, couche par couche, en une réplique en plastique de la biomolécule.

Le but de notre protocole est de rendre la fabrication de modèles moléculaires accessibles au grand nombre d'utilisateurs qui ont accès à des imprimantes, mais les technologies FFF d'impression 3D ne plus coûteux. Ici, nous fournissons un guide pour l'impression 3D de biomolécules à partir de données moléculaires en 3D, avec des méthodes qui sont optimisées pour l'impression FFF. Nous détaillons comment maximiser l'imprimabilité des structures biomoléculaires complexes et assurer simple post-traitement des modèles physiques. Les propriétés de plusieurs matériaux d'impression courants ou filaments sont comparés, et des recommandations sur leur utilisation pour créer des impressions flexibles sont fournis. Enfin, nous présentons une série d'exemples de modèles biomoléculaires 3D imprimés qui démontrent l'utilisation de différentes représentations moléculaires.

Protocole

1. Préparation des fichiers modèle 3D pour l'impression

REMARQUE: Les fichiers de modèles 3D de biomolécules peut être généré par deux méthodes: (1) en ligne à l' aide des outils automatisés de la NIH 3D de Exchange ^10, ou (2) en utilisant localement un logiciel de modélisation moléculaire. Automatiquement modèles générés utiliseront les processus décrits dans le présent protocole pour créer des représentations imprimables, mais les détails de la représentation ne peut pas être choisi par l'utilisateur. En revanche, la génération de modèle personnalisé permet le contrôle de l'utilisateur sur les propriétés visuelles de la biomolécule. Les atomes, les résidus et les obligations peuvent être affichées, et l'ampleur des rubans, des obligations et des entretoises peuvent être spécifiées. Le NIH 3D Print échange d'outils automatisés et le protocole ci - dessous utilisent tous les deux UCSF Chimera, un logiciel de modélisation moléculaire libre et open source ¹¹ qui est bien adapté à l' exportation des fichiers 3D de biomolécules. Tous les fichiers 3D exportés par l'utilisation angströms Chimera pourl'unité à distance. Lorsque ces fichiers sont importés dans un logiciel de tranchage à 1 unité mm / la distance, les modèles seront réduites à 10 millions de fois grossissement.

1. Générer automatiquement un modèle imprimable 3D avec l'impression d' échange NIH 3D
   NOTE: L'impression d'échange NIH 3D exécute les scripts Chimera, qui sont similaires aux étapes décrites dans les étapes 1,2-1,3.
   1. Localisez le fichier de données moléculaires de la structure biomoléculaire pour imprimer à partir d'une base de données, soit l'APB, EMDB ou PubChem (supplément 1.1). Notez le numéro d'adhésion pour la biomolécule d'intérêt.
   2. Accédez à la Bourse Imprimer NIH 3D (3dprint.nih.gov) et de créer un nouveau compte utilisateur, si un utilisateur pour la première fois.
   3. Accédez à la fonction "Quick Submit", entrez le code biomolécules d'adhésion, et cliquez sur soumettre.
   4. Après la génération du modèle de la biomolécule, accédez à la page du modèle et télécharger le fichier STL de biomolécules dans "ruban"Ou" "représentation de surface. Passez à la section 2 du protocole.
2. Générer un modèle moléculaire personnalisé avec UCSF Chimera
   NOTE: De plus amples détails sur l'utilisation de Chimera pour faire des modèles 3D, y compris les commandes équivalents de ligne pour de nombreuses étapes, peut être trouvé dans le supplément 1.2.
   1. Téléchargez et installez UCSF Chimera (https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html).
   2. Utilisation de Chimera, récupérer le fichier de données moléculaire en effectuant l'une des opérations suivantes:
      1. Utilisation de la commande Fichier barre d' outils> Fetch par ID, entrez un code d'adhésion PubChem, PDB ou EMDB pour récupérer le fichier directement à partir de la base de données.
      2. Utilisation de la commande de barre d'outils Fichier> Ouvrir, récupérer un fichier local de données moléculaires; par défaut, la molécule affichera des rubans pour les protéines et l'acide nucléique, des atomes et des liaisons pour des ligands, et les résidus dans les 5 Å d'un liganré.
      3. Utilisation de la ligne de commande Chimera, accessible en allant à Favoris> Ligne de commande, utilisez la commande Ouvrir et entrez le code d'adhésion.
3. Préparer une représentation 3D imprimable d'une biomolécule
   NOTE: Il y a plusieurs façons qu'une structure biomoléculaire peut être affichée ou représentés. Le choix d'une représentation particulière pour l'impression doit être réalisée sur la base de la meilleure façon de fournir le plus grand aperçu de la structure-fonction de biomolécules. Couramment utilisés représentations comprennent "rubans", "surface" et "atomes / obligations." Cependant, il est préférable d'explorer en utilisant une combinaison de ces représentations pour afficher certaines chaînes latérales ou des ligands. En outre, la structure 3D-imprimée doit être suffisamment robuste pour être imprimé et pour ne pas casser lorsqu'il est manipulé. Ainsi, il est important de tenir compte lors de la sélection d'une représentation ou l'affichage d'une chaîne latérale. Also envisager d'introduire des structures d'appui, ou «entretoises». Enfin, lors de l'impression du modèle, il sera important à l'échelle de telle sorte que toutes les fonctionnalités seront imprimées correctement. Ainsi, pour les grandes biomolécules, l'impression entièrement en rubans ou des représentations atomiques pourrait ne pas être possible en raison de l'échelle à laquelle ceux-ci devraient être imprimés.
   1. Générer une représentation 3D imprimable en "rubans"
      Remarque: Plus de détails peuvent être trouvés dans le supplément 1.2.1.
      1. Sélectionnez le "solvant" visible qui comprend des ions, en utilisant Select> Structure> solvant.
      2. Masquer le "solvant" sélectionné en utilisant Actions> Atomes / Obligations> Masquer.
      3. Épaissir le diamètre du ruban de sorte qu'il peut être imprimé avec succès. Utilisez le menu Style Editor Ribbon sous Outils> Depiction.
         NOTE: Suparamètres ggested pour une première tentative: sous l'onglet Mise à l' échelle, modifier la hauteur de chaque élément à au moins 0,7 et la largeur de chaque paramètre pour au moins les éléments suivants: Coil 0,7; 1,4 hélice; Feuille: 1.4; Arrow (base): 2,1; Arrow (pointe) 0,7; Nucleic 1.0.
      4. Si un acide nucléique est présent, de modifier la représentation de base avec Actions> Atomes / Obligations> objets nucléotidiques> Paramètres. Modification de l'affichage du sucre / base à l'échelle et le rayon sonné à 0,6.
      5. Facultatif: Passez à l'étape 1.3.3 pour introduire des structures de soutien.
   2. Générer une "surface" représentation 3D imprimable de la molécule
      NOTE: Plus de détails peuvent être trouvés dans le supplément 1.2.2.
      1. Cacher toutes les représentations précédentes. Utilisez Actions> Atomes / Obligations> cacher et Actions> Rubans>cacher.
      2. Lors du rendu des atomes comme des sphères, ajuster le rayon en sélectionnant l'atome (s) désiré et aller aux Actions> Menu Inspectez.
         NOTE: Changer le rayon atomique par défaut, il peut être plus facile de distinguer les types d'atomes différents dans le modèle imprimé.
      3. Cacher tout rubans, des atomes, des obligations et pseudobonds affichées en utilisant Actions> Atomes / Obligations> Hide et Actions> Rubans> Masquer.
      4. Si des détails de surface est désiré, ajouter des atomes d'hydrogène de telle sorte que le calcul de la surface est plus précise. Utilisez Outils> Structure Édition> ADDH.
      5. Générer une surface en entrant Surf # 0 grille de 0,5 dans la ligne de commande.
   3. Générer une représentation 3D imprimable dans "atomes / obligations."
      NOTE: Plus de détails peuvent être trouvés dans le supplément 1.2.3.
      1. Masquer le solvant. UtilisationSélectionnez> Structure> Actions> Atomes / Obligations de solvants puis> cacher.
      2. Afficher les résidus et / ou des ligands dans la représentation sous forme d' atomes spécifiques et des obligations en sélectionnant et en leur montrant avec Actions> Atomes / Obligations> show. La façon dont les atomes sont représentés peut être modifié dans le Actions> Atomes / Obligations déroulant en sélectionnant bâton, boule et bâton, ou de la sphère.
      3. Après avoir fait une sélection, augmenter le rayon du bâton ou une balle et le bâton avec les représentations Actions> Menu Inspectez.
      4. Facultatif: Passez à l'étape 1.3.4 pour introduire des structures de soutien.
4. Ajout d'un soutien structurel à une représentation 3D imprimable
   NOTE: Plus de détails peuvent être trouvés dans les suppléments 1.2.4 et 1.2.5. À ce stade, les haubans peuvent être ajoutés au modèle 3D. Il est recommandé pour les hélices alpha et les structures secondaires bêta-feuille pour inclure des liaisons hydrogène du squelette pour la stabilité, bien que de petites protéines (c. -à moins de 50 résidus) sont souvent représentés comme un ruban avec une épaisseur typique et peuvent imprimer bien sans un tel soutien. Cependant, pour des protéines plus grandes, même avec l'ajout de liaisons hydrogène, de nombreux modèles de ruban sont encore trop délicat pour être imprimé avec succès. Struts sont des connexions physiques au sein du modèle qui ne reflètent pas toute propriété moléculaire, mais ajouter à la résistance mécanique, ce qui facilite l'impression et la manipulation. Chimera offre un moyen rapide pour ajouter automatiquement des entretoises à un modèle avec la commande de jambe de force via la ligne de commande, et des entretoises individuelles peut également être affiché manuellement à l' aide de l'outil Distances.
   1. Afficher des liaisons hydrogène pour préparer une impression solide. Utilisez le menu Outils> Structure Analysis> FindHBond.
   2. Utilisez Outils> Général ContRols> Panneau PseudoBond pour modifier les liaisons hydrogène. Sélectionnez les pseudobonds "liaison hydrogène", cliquez sur le bouton d'attributs et cochez la case "Component PseudoBond Attributs" boîte. Dans le panneau de fond, changer le style de liaison à partir de fil à coller et à la valeur de rayon de 0,2 à 0,6.
   3. Facultatif: Ajoutez la structure de support (s), ou "entretoises," à l' aide de la commande entretoises. Pour créer des entretoises bleues avec un rayon de 1,0 Å dans l'alpha de carbone de tous les 70 résidus pas plus loin que 8 Å à part, utiliser la commande: pavane @ca longueur 8 boucle 70 couleur bleu rad 1.0 fattenRibbon faux.
   4. Facultatif: Pour créer des supports individuels avec l'outil Distance, sélectionnez deux atomes par shift-ctrl-cliquant sur chacun d'eux, utilisez Outils> Structure Analysis> Distances et cliquez sur Créer pour ajouter un pseudobond. navigate au Groupe PseudoBond, sélectionnez les pseudobonds "moniteur à distance", cliquez sur le bouton d'attributs, et cochez la case "Component PseudoBond Attributs" boîte. Dans le panneau de fond, changer le style de liaison à partir de fil à coller et à la valeur de rayon 0,2 au 0,01.
   5. Exportation du rendu Chimera en tant que fichier modèle 3D STL
      1. Une fois que la représentation souhaitée a été obtenue, utilisez Fichier> Exporter la scène pour exporter le fichier 3D. Sélectionnez STL comme type de fichier et le nom et enregistrez le modèle. Remarque: Ce fichier STL peut être réparé, orienté, et imprimé comme décrit dans l'article 2 du protocole.

2. Processus STL Files pour l'impression

1. Fichiers de réparation STL avec Autodesk Netfabb
   NOTE: Un modèle peut nécessiter une réparation quand il contient plusieurs pièces qui se chevauchent avec intersecting géométries, ce qui est généralement le cas avec les modèles de ruban et des modèles atomiques. Chevauchement géométrie peut entraîner des erreurs lorsque le fichier est lu par un logiciel de tranchage, en tant que régions d'intersection peuvent être interprétées comme l'extérieur du modèle. Plus de détails peuvent être trouvés dans le supplément 2.1.
   1. Téléchargez et installez la version standard du logiciel.
   2. Ouvrez le programme et importer le fichier STL à réparer. S'il y a des problèmes avec le maillage, un signe d'avertissement sera affiché.
   3. Utilisez Extras> Réparation partie automatique, sélectionnez Repair Extended, et attendez que le fichier est traité; pour les petits modèles, cela prendra quelques secondes, mais pour les grands modèles, il peut prendre quelques minutes.
   4. Faites un clic droit sur le modèle et sélectionnez Exporter la partie> Comme STL ou utiliser Project> Exporter le projet en tant STL pour sauver le modèle réparé; le programme va ajouter "réparé" à lanom de fichier pour le distinguer du fichier d'origine.
2. Modèles Orient pour l' impression avec Autodesk Meshmixer
   NOTE: orientation optimale d'un modèle avant le tranchage permettra de réduire le nombre de surplombs et par conséquent le nombre de supports nécessaires au cours du processus d'impression. Un modèle orienté de manière optimale sera imprimer plus rapidement, utiliser moins de matière, et être moins susceptibles d'échouer lors de l'impression. Plus de détails peuvent être trouvés dans le supplément 2.2.
   1. Télécharger et installer le logiciel
   2. Importer le fichier STL réparé dans le programme.
   3. Sélectionnez Analyse> Orientation.
   4. Réglez la valeur de poids de force à 100, la valeur de soutien Vol Poids à 0, soutien de secteur Poids à 0, puis mettre à jour le modèle. Cela va pivoter le modèle pour réduire au minimum le nombre de saillies. Accepter l'orientation résultante.
   5. Utilisez la commande Fichier> Exporter et choisissez le fichier STL binaire à partir du menu déroulant. Enregistrez le fichier.

3. tranchage et presse

1. Sélectionnez un matériau de filament
   REMARQUE: La sélection d'un matériau d'impression doit être effectuée avant l'utilisation d'un logiciel de découpage en tranches, en tant que paramètres d'impression sont différentes pour le matériau sélectionné. Les trois types de matériaux qui sont couramment utilisés sont l'acide polylactique (PLA), des élastomères thermoplastiques (TPE), et de l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS). Le PLA est généralement le matériau le plus efficace pour l'impression des modèles moléculaires détaillés, car il se refroidit rapidement, adhère bien à la plaque de construction, et rarement funes. TPE est un matériau similaire au PLA et peut être utilisé pour produire des modèles souples. Il est recommandé pour les modèles de surface de la protéine ou des modèles complémentaires de ruban de protéine. ABS est plus forte et plus flexible que PLA, mais il produit des particules potentiellement dangereuses lors de l' impression ^12. Il est généralement pas recommandé pour l'impression des modèles moléculaires, comme les résultats de température plus élevés dans les matériauxs production précise de petites fonctionnalités. Plus de détails peuvent être trouvés dans le supplément 3.1.
   1. Impression avec de l'acide polylactique (PLA).
      1. Réglez la température de la buse à 210 ° C. Pour assurer l'adhésion de la partie du lit, régler la température du lit à 70 ° C. Si vous utilisez un lit non chauffé, couvrir avec du ruban adhésif de peintres. Utiliser un refroidissement actif.
   2. Impression avec des élastomères thermoplastiques (TPE)
      1. Répétez l'étape 3.1.1.1. Réglez la vitesse d'impression à 1200 mm / min ou moins.
   3. Impression avec l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS)
      1. Ne pas utiliser de refroidissement. Réglez la température de la buse à 240 ° C. Pour assurer l'adhésion de la partie du lit, régler la température du lit à 110 ° C.
2. Générer code G
   NOTE: Le modèle sera importé à 10 millions de fois le grossissement par défaut. modèles de ruban doivent être mis à l'échelle de 20 millions de fois (200%) ou plus. modèles de surface print ainsi à 100% ou plus. Plus de détails peuvent être trouvés dans le supplément 3.2.
   1. Télécharger et installer le logiciel de tranchage d'impression.
   2. Utilisez la commande Fichier> Importer un modèle et sélectionnez le fichier STL réparé et orienté.
   3. Échelle le modèle en double-cliquant sur le modèle et en entrant le facteur d'échelle dans la fenêtre sur le côté droit de l'écran.
   4. Générer des structures de soutien pour le modèle. Sélectionnez l'icône de support et utiliser des supports normaux, avec une résolution de pilier de 1 et un angle de surplomb maximum de 50 °.
   5. Cliquez sur générer tous les supports. Ajouter ou supprimer des fonctions de structure de support pour personnaliser le placement de support.
   6. Sélectionnez un processus et cliquez sur Paramètres de processus d'édition.
   7. Configurez le profil de l'imprimante et du matériel qui est utilisé.
      NOTE: Un radeau et bords devraient être inclus, et les modèles de ruban doivent être imprimés à 100% de remplissage. Les paramètres détaillés de profil peuvent être trouvés dans supplement 3.2.
   8. Convertir le modèle dans un fichier G-code qui peut être lu par l'imprimante. Cliquez sur le "préparer à imprimer" et sélectionnez le processus contenant le profil imprimante / matériel. Observer la trajectoire de la buse de l'imprimante et l'inspecter pour les erreurs qui pourraient causer une impression à l'échec.
      NOTE: Les erreurs qui peuvent causer l'impression d'échouer comprennent l'absence de supports sous les surplombs, des cavités non désirées, des couches manquantes, ou des zones qui sont trop minces pour imprimer.
   9. Enregistrez le fichier G-code pour le bureau ou directement sur une carte SD.
3. Utilisez l'imprimante
   REMARQUE: Chaque imprimante marque ou le modèle est unique, et sa préparation et de calibrage pour l'impression varie en conséquence. Reportez-vous au manuel de l'imprimante.
   1. Assurez-vous que le poste de travail est connecté à l'imprimante ou que la carte SD avec gcode est dans l'imprimante.
   2. Préparer l'imprimante en chargeant le filament et veiller à ce que le lit est de niveau;pour obtenir des instructions sur ces procédures, reportez-vous au manuel de l'imprimante.
   3. Démarrez l'impression à partir de l'ordinateur ou localement à partir d'une carte SD via le menu de l'imprimante.
   4. Regarder la copie jusqu'à ce qu'une première couche a été achevée avec succès. S'il y a des erreurs dans la première couche, interrompre et redémarrer l'impression.

4. Post-production Processing

NOTE: Les soins de cours devrait être prise à ce, la finale, le stade. Les structures de soutien sur le modèle doivent être supprimés. Cela se fait généralement manuellement, bien que d'autres approches, telles que l'utilisation d'un support soluble, peuvent être utilisés; voir le supplément 4.

1. Détachez l'impression à partir de la plaque de construction en le tirant doucement sur le côté. Si le radeau adhère fortement à la plaque de construction, le séparer en insérant une arête vive entre eux.
2. Enlever les structures de support à partir du modèle. De nombreux supports peuvent être retirés à la main, en les cassant hors de la pièce et le raft. modèles flexibles peut être détaché en les retirant de la partie. Pour des supports qui sont difficiles à atteindre ou sont reliés à des structures délicates, utilisent une pince coupante pour couper le point où le support se connecte à la partie.

Résultats

Modèles imprimables 3D stables et informatifs de biomolécules peuvent être préparés par: (i) les obligations d'épaississants pour assurer la stabilité, (ii) la sélection soigneusement secondaire type ou style de représentation de la structure qui offrirait la plus grande perspicacité et la stabilité, (iii) l' impression de la biomolécule dans plus d'une représentation moléculaire, (iv) en utilisant un filament qui rend tout ou partie d'une biomolécule flexible, ou (v) la génération d' un ensemble complexe qui est modulaire ( par exemple, dans des pièces pouvant être connectées).

Pour illustrer comment imprimer ces modèles informatifs et stables, nous nous sommes concentrés sur les composants de la chromatine et sur la production d'un modèle hypothétique de la chromatine. La chromatine est un ensemble de protéines d'ADN très complexe. La sous-unité de la protéine fondamentale de la chromatine est la protéine histone. Il existe quatre protéines histones, chacune constituée d'une hélice-loop hélice (un «pli histone») suivie d'une hélice alpha étendue et une seconde «pli histone». Structure de protéine histone peut être facilement produit en utilisant une représentation de «ruban» (figure 3A). En variante, la structure de la protéine histone peut être affiché en utilisant seulement sa surface (figure 3B). Il y a deux copies de chacun des quatre histones, qui assemblent pour former un octamère d'histone globulaire. Le octamère d'histone est trop grand pour imprimer entièrement comme une représentation de ruban ou de bâton, en raison de la plus grande échelle à laquelle ces caractéristiques doivent être imprimés. Ainsi, un tel assemblage complexe de protéine est mieux affiché en utilisant une représentation de surface (figure 3C). ADN tracer un chemin autour de l'octamère d'histones pour former un 10 nm de diamètre noyau nucléosome particules. Le chemin de l' ADN peut être mieux affiché en imprimant deux modèles distincts et en utilisant un filament flexible pour l'ADN (Figure 3D). particules de noyau nucléosome pileles uns sur les autres pour former un ensemble d'ordre supérieur, une "fibre" 30 nm de diamètre une structure suprahelical gaucher. Pour mieux illustrer la façon dont les particules de noyau nucléosome 10 nm peuvent empiler pour former un 30-nm assemblage de la chromatine, l' impression individuels particules "di-nucléosome» (Figure 3E), puis les empiler après l' impression (Figure 3F).

Une fois maîtrisé la surface d'extrusion et le ruban flux de travail unique décrit ci - dessus, d' explorer faisant une gamme de modèles atomiques, moléculaires et composites, comme illustré sur la figure 4. Par exemple, combiner surface et ruban à des représentations mises à part les différentes parties d'un complexe (voir l' ADN polymérase, figure 4B). Faire des modèles plus instructifs et attrayants en utilisant une imprimante à double extrusion qui peut fondre deux filaments simultanément en un seul objet 3D (voir la figure 4C). Alternativement, les pièces de peinture des modèles (voir guanine et l'hélice alpha, figure 4A). Imprimer et assembler les sous - unités d'un complexe de protéines, comme le canal de sodium, ou de prendre encore plus loin en imprimant parties distinctes d'un complexe et de les assembler plus tard dans un plus grand, le modèle multi-couleur (voir les complexes anticorps anti-VIH et ribosomal, Figure 4C). Ces modèles composites sont mieux en mesure de montrer des caractéristiques fonctionnelles par rapport aux impressions mono-filament. Différentes couleurs peuvent mettre en évidence, par exemple, glycosylation par rapport à la protéine (modèle VIH) ou de l' ARN par rapport à la protéine (voir modèle ribosome, figure 4C). Ils permettent également la création de puzzles 3D éducatifs, comme la liaison de l'anticorps à la surface du VIH (voir gp120 liée par l' anticorps, la figure 4C), où une seule configuration 3D donne un ajustement serré des deux parties. Instructions sur l'impression de ces modèles peuvent être trouvés dans le supplément 5. En outre, nous avons fourni une vidéo supplémentaire illustrant la construction d'un modèle 3D de ee Fo / F1 protons de l'ATP synthase qui a été imprimé en morceaux et assemblés de telle manière afin qu'il puisse récapituler le mécanisme de rotation qui se produit au cours de ce mécanisme catalytique des enzymes.

Figure 1. Flux de travail pour préparer et imprimer un modèle 3D. Illustrés sont les étapes de la production d' une impression physique 3D biomoléculaire: (i) la préparation du modèle, y compris la sélection de la représentation; (Ii) l' ouverture d' un fichier .stl sauvé du modèle et le traitement du fichier en utilisant le logiciel de tranchage; (Iii) l' impression du modèle et le choix du matériau ou de filament; et enfin, (iv) la réalisation des étapes de post-production.S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2. Visuals de différentes représentations de modèles à différents stades de préparation. Rangée du haut: les représentations communes des deux modèles (ubiquitine (PDB 1UBQ) et arginine) visualisée à l'aide du programme Chimera. Rangée du milieu: Le parcours d'impression généré à partir des modèles STL Chimera, coloré par le type de l' ubiquitine et de l' arginine caractéristique (orange: motif de remplissage; bleu foncé: coque extérieure; bleu clair: intérieure shell). Rangée du bas: impressions finales de l' ubiquitine et de l' arginine. modèles de surface et deux rubans de ubiquitine imprimés à 300% de la sortie STL par défaut Chimera (Chimère par défaut est de 1 nm dans le modèle et 1 cm en impression), tandis que le modèle d'arginine wcomme imprimé à 1000%. Les modèles de ruban ou de bâton par défaut Chimera sont trop minces pour imprimer correctement, mais les versions épaissies seront imprimées de manière fiable. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3. Etude de cas nucléosomes. (A) de la protéine H3 simple histone rendu par épaississement "rubans" , imprimé à 300%. (B) Histone H3 protéine de représentation "de surface", imprimé à 200%. (C) protéine Histone octamère imprimé à 100%. (D) protéine Histone octamère (orange) dans un complexe avec l' ADN flexible (blanc) imprimé à 100%. Modèle de surface (E) Dinucleosome imprimé avec un rayon de la sonde par défaut et imprimé à l' échelle 100%. (F) un model de la chromatine "fibre 30 nm" créée par l'empilement manuellement des modèles imprimés individuellement de la dinucleosome "10 nm", où la surface a été rendue avec un rayon de sonde de 3 nm, imprimé à 50% et 25% de tailles et tenue conjointement avec Play-Doh. impressions 3D ont été générées à partir d'un modèle de la dinucleosome (PDB 1ZBB). Tous les modèles sont disponibles gratuitement en téléchargement sur le NIH 3D Print échange ^11. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4. Exemples de modèles 3D-imprimés produits en utilisant des imprimantes à incandescence. (A) à gauche, un modèle de boule-et-bâton de molécules d'eau dans les cristaux de glace hexagonaux (double filament impression). Moyen, le modèle d'un nucléotide (guanine). A droite, une protéine alpha h elix backbone seul modèle montrant des liaisons hydrogène (noir). Guanine et l'hélice alpha sont colorées manuellement Sharples. (B) gauche, canal de sodium, composé de 4 sous - unités qui peuvent être réunis (PDB 3E89). Moyen, Plasmodium falciparum L-lactate déshydrogénase (PDB 1T2D) imprimé en rubans. À droite, le modèle du site actif de l'ADN polymerase (APB 1KLN), montrant que l'ADN et des protéines de surface comme des rubans. (C) à gauche, le VIH enveloppe lipidique avec la glycoprotéine (PDB 5FUU) lié par des anticorps (PDB 1IGT), imprimés à 15%. Milieu, le détail de la surface de l'antigène de la glycoprotéine à 150%, avec la région variable de l'anticorps montré que les rubans (APB 5FYJ). Droit, les modèles de la bactérie 70S ribosome (PDB 4V5D) à 40% et 20%. Les pourcentages se réfèrent à la sortie Chimera standard, où 100% signifie 1 nm dans les empreintes de molécules que 1 mm. Tous les modèles sont disponibles gratuitement en téléchargement sur le NIH 3D Print échange ^11.oad / 55427 / 55427fig4large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Discussion

modèles 3D physiques de biomolécules offrent un puissant complément aux méthodes sur ordinateur les plus courants de visualisation. Les propriétés supplémentaires d'une représentation 3D physique contribuent à la compréhension intuitive de la structure biomoléculaire. La construction de modèles 3D physiques de biomolécules peut faciliter leur étude par l'utilisation d'un milieu qui tire profit de modes de sensation humaine bien développées. Modèles 3D servent non seulement comme une aide au chercheur, mais peuvent être utilisés pour faciliter les activités pédagogiques et peut augmenter la réalisation des résultats d' apprentissage ^{13, 14, 15.} Les aimants peuvent être ajoutés à des modèles en plastique pour permettre le montage et le démontage, tel que représenté par un modèle de polypeptides ^16. En outre, des objets 3D imprimés peuvent être utilisés dans la recherche, à la fois dans la fabrication de matériel de laboratoire ^17, ainsi que de faire microfldispositifs uidique pour les cellules ¹⁸ et des modèles de cristaux ¹⁹ ou ²⁰ neurones. La manipulation de modèles physiques peut servir à promouvoir des discussions de collaboration qui peuvent inspirer de nouvelles idées.

Les développements récents dans les technologies et les réductions d'impression 3D dans le coût des imprimantes permet la création de complexes modèles 3D, physiques de biomolécules par un utilisateur individuel. Bien que la technologie d'impression FFF est plus fréquent et moins coûteux que d'autres méthodes, il pose un certain nombre de limitations. Le processus d'impression 3D prend du temps, et les défaillances mécaniques ne se produisent. imprimantes FFF ne peuvent généralement imprimer un matériau par partie, limitant l'affichage des informations de couleur. La résolution des modèles réalisés sur les imprimantes FFF est faible, autour de 100 um par couche. Nous conseillons au lecteur de travailler avec ces limites et de développer une approche pour leur imprimante et biomolécules (s) d'intérêt. Nous avons présenté le processes nécessaires à un utilisateur de développer une représentation 3D personnalisé de leur biomolécules d'intérêt qui est précis, informatif et imprimable. Comme pour toute nouvelle technologie, il y a souvent des «douleurs de croissance» qui doivent être surmontés au cours de son utilisation. Nous fournissons plusieurs exemples où les problèmes peuvent être rencontrés dans le processus de biomolécules d'impression 3D (voir supplément 6).

Enfin, à travers cet article, il est notre objectif de contribuer à la croissance d'une communauté d'utilisateurs engagés dans l'impression 3D de biomolécules. Fait important, le NIH a établi une base de données pour le public de partager des modèles 3D et les méthodes utilisées pour les ¹⁰ imprimer. Nous encourageons fortement la participation à cette ressource unique (voir supplément 7 pour obtenir des instructions sur la façon de télécharger une copie du modèle 3D et des informations de base à l'échange Imprimer NIH 3D).

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
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