3D הדפסה של מודלים Biomolecular למחקר פדגוגיה

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

הבנה מעמיקה של תפקוד ופעילות של biomolecule מחייב קביעת המבנה התלת-ממדי (3D) שלה. זו מושגת באופן שגרתי באמצעות קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן, תמ"ג, או במיקרוסקופ אלקטרונים. ניתן להבין מבני 3D דרך התפיסה של דגמים, או אובייקטים מדויקים דומים המבנים שהם מייצגים ^1. מבחינה היסטורית, בניית מודלים 3D הפיזי היה הכרחי החוקרים לאמת, לחקור, ולתקשר ההשערות וכתוצאה מכך לגבי תפקוד של ביומולקולות. מודלים אלה, כגון הסליל הכפול DNA של ווטסון וקריק ו סליל אלפא של פאולינג, סיפק תובנה ייחודית לתוך מערכות יחסים מבנה-תפקוד והיו מרכזי להבנה המוקדמת שלנו של חומצות גרעין מבנה-תפקוד ^{2 חלבון, 3, 4.} למרות חלבון מורכב ומודלי חומצות גרעין יכולים להיות שנוצרו,זמן והעלות של בניית מודל פיזי בסופו של דבר עולים על הקלות היחסית של להדמיה מולקולרית בעזרת מחשב.

התפתחותו של הדפוס 3D, הידוע גם בשם כתוסף בייצור, יש שוב איפשר בניית מודלים פיזיים של ביומולקולות ^5. 3D הדפסה הוא תהליך של בודה אובייקט פיזי, 3D מקובץ דיגיטלי באמצעות תוספת רציפים של שכבות של חומר (ים). מגוון של מנגנונים המשמשים בתהליך זה. עד לאחרונה, המכונות המשמשות לייצור מודלים פיסיים של ביומולקולות היו יקרות מכדי להיות בשימוש נרחב. עם זאת, בעשור האחרון, טכנולוגיית הדפסת 3D, ייצור נימה התמזג (FFF) בפרט, התקדמה באופן משמעותי, מה שהופך אותו לנגיש לשימוש צרכן ^6. מדפסות FFF זמינים כעת נפוץ בבתי הספר התיכוניים, ספריות, אוניברסיטאות, מעבדות. The affordability יותר ונגישות של טכנולוגיית ההדפסה 3Dאפשר להמיר מודלים וביומולקולרית דיגיטליים 3D לתוך מודלי 3D וביומולקולרית מדויקים, פיסיים ^{7, 8, 9.} מודלים אלה כוללים לא רק ייצוגים פשוטים של ביומולקולות יחידה, אלא גם מכלולי macromolecular מורכבים, כגון מבנים קפסיד הריבוזום וירוסים. עם זאת, התהליך של הדפסה ביומולקולות פרט ורכבות macromolecular מציב כמה אתגרים, במיוחד כאשר משתמשים בשיטות שחול תרמופלסטיים. בפרט, ייצוגים של ביומולקולות יש לעתים קרובות גיאומטריות מורכבות שקשה למדפסות לייצר, ויצירה ועיבוד מודלים דיגיטליים שיודפסו בהצלחה דורש מיומנות עם הדמיה מולקולרית, מודלי 3D, ותוכנת מדפסת 3D.

זרימת עבודת 3D להדפסת biomolecule מתרחשת רחב בארבעה שלבים: (1) הכנת מודל וביומולקולרית המקובץ לתאם שלה להדפסת 3D;(2) יבוא המודל וביומולקולרית לתוך תוכנה "חיתוך" לפלח את המודל עבור המדפסת וכדי ליצור מבנה תמיכה זה יהיה לתמוך פיזית את מודל biomolecular; (3) בחירת הנימה הנכונה והדפסת מודל 3D; ו (4) מדרגות עיבוד שלאחר הייצור, כולל הסרת חומר תמיכה מהמודל (איורים 1 ו -2). השלב הראשון בתהליך זה, מחשוב המניפולציה של הקובץ לתאם של biomolecule, הוא קריטי. בשלב זה, המשתמש יכול לבנות תגבורת מודל בצורה תמוכה, כמו גם להסיר מבנים שהם זרים למה שהמשתמש בוחר להציג. בנוסף, הבחירה של ייצוג נעשית בשלב זה: האם להציג את כל או חלק של biomolecule כייצוג שטח, סרטים, ו / או אטומים בודדים. לאחר תוספות הצורך ו / או הגריעות של תוכן נעשות הייצוג נבחר, המבנה נשמר כקובץ מו 3Dקובץ דל. לאחר מכן, הקובץ נפתח בתוכנית התוכנה השנייה להמיר את המודל לתוך קובץ ההדפסה 3D שניתן להדפיס, שכבה אחר שכבה, להעתק הפלסטיק של biomolecule.

מטרת הפרוטוקול שלנו היא להפוך את הייצור של מודלים מולקולריים נגיש למספר הגדול של משתמשים שיש להם גישה למדפסות FFF אבל לא לטכנולוגיות דפוס 3D יקרות יותר. כאן, אנו מספקים מדריך עבור הדפסת 3D של ביומולקולות מנתונים מולקולריים 3D, עם שיטות שאינם מותאמות להדפסת FFF. אנו בפירוט כיצד למקסם את printability של מבנים וביומולקולרית מורכבים ולהבטיח את שלאחר העיבוד הפשוט של מודלים פיסיים. את המאפיינים של חומרים או חוטי הדפסה נפוצה מספר המושווים, והמלצות על השימוש בם כדי ליצור הדפסים גמישים מסופקים. לבסוף, אנו מציגים סדרה של דוגמאות של מודלים וביומולקולרית 3D מודפסים הממחישים את השימוש בייצוגים מולקולריים שונים.

Protocol

1. הכנת קבצי דגם 3D עבור הדפסה

הערה: קבצי מודל 3D של ביומולקולות ניתן להפיק באמצעות שתי שיטות: (1) באופן מקוון באמצעות הכלים האוטומטיים של Exchange הדפסת 3D NIH ^10, או (2) מקומית באמצעות תוכנת הדמיה מולקולרית. מודלים שנוצרו אוטומטית ישתמשו התהליכים המפורטים בפרוטוקול זה כדי ליצור מצג להדפסה, אך פרטים של הייצוג לא יכולים להיבחר על ידי המשתמש. לעומת זאת, דור מודל מותאם אישית מאפשר למשתמש שליטה על המאפיינים החזותיים של biomolecule. אטומים בודדים, שאריות, ואג"ח ניתן להציג, וכן את קנה המידה של סרטים, אג"ח, תמוכות ניתן להגדיר. בורסת הדפסת 3D NIH כלים אוטומטיים והפרוטוקול להלן הוא להשתמש UCSF כימרה, חבילת תוכנת הדמיה מולקולרית חופשית וקוד פתוח ¹¹ כי הוא גם מתאים ויצוא של קבצים 3D של ביומולקולות. כל קבצי 3D שמייצאים אנגסטרם שימוש כימרה עבוריחידת המרחק. כאשר קבצים אלה מיובאים לתוך תוכנת משסף 1 מ"מ / יחידת מרחק, הדגמים יהיו לשנותם ב -10 מ'פעמים גדלות.

1. באופן אוטומטי ליצור מודל להדפסת 3D עם Exchange הדפסת 3D NIH
   הערה: Exchange הדפסה 3D NIH פועל סקריפטים כימרה, הדומים את השלבים המתוארים צעדים 1.2-1.3.
   1. אתר את קובץ נתונים המולקולרי של המבנה וביומולקולרית להדפיס ממסד נתונים-גם את PDB, EMDB, או PubChem (תוספת 1.1). רשום את מספר ההצטרפות עבור biomolecule של עניין.
   2. נווט אל Exchange הדפסת 3D NIH (3dprint.nih.gov) וליצור חשבון משתמש חדש, אם משתמש לראשונה.
   3. הנווט אל התכונה "המהיר שלח", הזן את קוד הצטרפות biomolecule, ולחץ על שלח.
   4. לאחר יצירת המודל של biomolecule, נווט אל דף המודל ולהוריד את קובץ STL biomolecule ב "סרט"או" שטח "ייצוג. המשך לסעיף 2 של הפרוטוקול.
2. צור מודל מולקולרי מותאם אישית עם UCSF כימרה
   הערה: פירוט על השימוש כימרה להכנת מודלים 3D, כולל ושווי שורת הפקודה עבור שלבים רבים, ניתן למצוא במוסף 1.2.
   1. הורד והתקן UCSF כימרה (https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html).
   2. שימוש כימרה, לאחזר את קובץ נתונים המולקולרי ידי ביצוע אחת מהפעולות הבאות:
      1. שימוש בקובץ פקודת הכלים> יביא לפי תעודת זהות, זן Pubchem, PDB, או קוד הצטרפות EMDB לאחזר את הקובץ ישירות ממסד הנתונים.
      2. שימוש בקובץ פקודת הכלים> פתח לאחזר קובץ נתונים מולקולריים מקומי; כברירת מחדל, המולקולה יציג סרטים חלבונים חומצות גרעין, אטומים אג"ח הליגנדים, ושאריות בתוך 5 של liganד.
      3. שימוש בשורת הפקודה כימרה, נצפתה על ידי הולך למועדפים> שורת פקודה, השתמש בפקודת Open והזן את קוד ההצטרפות.
3. הכנת ייצוג 3D-להדפסה של ביו-מולקולות
   הערה: ישנן מספר דרכים כי מבנה וביומולקולרית ניתן להציג או מיוצג. הבחירה של ייצוג מסוים להדפסה צריכה להתבצע על בסיס מהי הדרך הטובה ביותר לספק את תובנה הגדולה לתוך פונקצית מבנה biomolecule. בשימוש נפוץ ייצוגים כוללים "סרטים", "פני שטח", ו "אטומים / אג"ח." עם זאת, עדיף לחקור באמצעות שילוב של ייצוגים אלה כדי להציג שרשרות או הליגנדים צד בוחרים. בנוסף, מבנה 3D מודפס צריך להיות חזק מספיק כדי להיות מודפס כדי לא לשבור כאשר טפל. לכן, חשוב לשקול את זה בעת בחירת ייצוג או מוצגות שרשרת צד. Also לשקול החדרת מבנים תומכים, או "תמוך." לבסוף, בעת הדפסת המודל, זה יהיה חשוב כדי לשנות את הגודל, כך שכל התכונות תודפסנה כראוי. כך, ביומולקולות גדולות, ההדפסה לגמרי בסרטים או ייצוגים אטומים עשויה להיות לא ריאלית בשל הממדים שבה אלה היו צריכים להיות מודפסים.
   1. יצירת ייצוג 3D-להדפסה "סרטים"
      הערה: פירוט נוסף ניתן למצוא במוסף 1.2.1.
      1. בחר את "ממס," גלוי הכולל יונים, באמצעות בחירה> מבנה> ממס.
      2. הסתר את "ממס" שנבחרו באמצעות פעולות> אטומים / אג"ח> הסתר.
      3. לעבות את הקוטר של הסרט כך ניתן להדפיס בהצלחה. השתמש בתפריט עורך סגנון רצועת הכלים תחת כלים> תיאור.
         הערה: סוggested פרמטרי ניסיון ראשוני: תחת לשונית Scaling, לשנות את הגובה של כל פריט 0.7 לפחות ורוחב כל הגדרה על לפחות את הנושאים הבאים: סליל 0.7; Helix 1.4; גיליון: 1.4; חץ (בסיס): 2.1; חץ (טיפ) 0.7; גרעין 1.0.
      4. אם חומצת גרעין קיימת, לשנות את ייצוג הבסיס עם פעולות> אטומים / אג"ח> חפץ נוקלאוטיד> הגדרות. שינוי התצוגה סוכר / בסיס סולם ואת הרדיוס צלצל 0.6.
      5. אופציונאלי: עבור לשלב 1.3.3 להציג מבני תמיכה.
   2. צור ייצוג 3D-להדפסה "השטח" של המולקולה
      הערה: פירוט נוסף ניתן למצוא במוסף 1.2.2.
      1. סתר הכל הייצוגים הקודמים. השתמש בפעולות> אטומים / אג"ח> להסתיר, ואת פעולות> סרטים>להתחבא.
      2. כאשר טיוח אטום כמו כדורים, להתאים את הרדיוס על ידי בחירת האטום הרצוי (ים) ו הולכים התובענות> בדוק בתפריט.
         הערה: שינוי ברירת מחדל הרדיוס האטומי יכול לעשות את זה קל יותר להבחין בין סוגים שונים אטומים במודל המודפס.
      3. סתר כל מוצג סרטים, אטומים, אגרות חוב וניירות pseudobonds באמצעות פעולות> אטומים / אג"ח> סתר פעולות> סרטים> סתר.
      4. אם פרטי משטח הוא רצויים, להוסיף אטומי מימן כך בחישוב השטח הוא יותר מדויק. השתמש בכלים> מבנה עריכה> AddH.
      5. צור משטח ידי הזנת לגלוש # 0 הרשת 0.5 בשורת הפקודה.
   3. צור ייצוג 3D-להדפסה "אטומים / אג"ח."
      הערה: פירוט נוסף ניתן למצוא במוסף 1.2.3.
      1. הסתר הממס. להשתמשבחר> מבנה> ממס ולאחר מכן פעולות> אטומים / אג"ח> להסתיר.
      2. הצגת שאריות ו / או ליגנדים ספציפיים בייצוג כמו אטומי אג"ח על ידי בחירה ולהראות להם עם פעולות> אטומים / אג"ח> מופע. הדרך אטומה מיוצגות ניתן לשנות חוק התובענות> אטומים / הנפתח אג"ח על ידי בחירת מקל, כדור & מקל, או כדור.
      3. לאחר ביצוע הבחירה, להגדיל את הרדיוס של מקל או כדור מקל ייצוגים עם פעולות> בדוק בתפריט.
      4. אופציונאלי: עבור לשלב 1.3.4 להציג מבני תמיכה.
4. הוספת תמיכה מבנית ייצוג 3D-להדפסה
   הערה: פירוט נוסף ניתן למצוא ספקים 1.2.4 ו 1.2.5. בשלב זה, תמוכות ניתן להוסיף למודל 3D. מומלץ עבור סלילים-אלפא מבנים משניים בטא גיליון לכלול קשרי מימן עמוד שדרה של יציבות, אם כי חלבונים קטנים (כלומר, פחות מ -50 שאריות) הם בדרך כלל מיוצגים על סרט בעובי טיפוסי יכולים להדפיס גם ללא תמיכה כזו. עם זאת, עבור חלבונים גדולים יותר, אפילו בתוספת קשרי מימן, מודלי סרט רבים עדיין עדינים מדי ולא ניתן להדפיס בהצלחה. תמוכות הן חיבורים פיסיים בתוך המודל שאינו משקף כל נכס מולקולרי אך מוסיף החוזק המכאני, ובכך להקל על הדפסה והטיפול. כימרה מציע דרך מהירה להוסיף תמוכות אוטומטית מודל עם פקודת היתד דרך שורת הפקודה, תמוכות בודדות יכולות להיות גם באופן ידני מוצגות שימוש באפשרות המרחקים.
   1. הצגת קשרי מימן להכין הדפסת יציבות. השתמש בתפריט כלים> ניתוח מבנה> FindHBond.
   2. השתמש בכלים> המשך הכלליrols> לוח PseudoBond לשנות את קשרי מימן. בחר את pseudobonds "אג"ח מימן", לחץ על לחצן מאפיינים וסמן את "רכיב PseudoBond תכונות" התיבה. בחלונית התחתונה, לשנות את סגנון אג"ח מחוט לדבוק ואת הרדיוס מ 0.2 ל 0.6.
   3. אופציונלי: להוסיף מבנה תמיכה (ים), או "תמוכות," באמצעות הפקודה תמוכות. כדי ליצור תמוכות כחולות עם רדיוס של 1.0 א 'אלפא פחמן של כל מס' 70 שאריות רחוקות יותר 8 זה מזה, השתמש בפקודה: תמוכות @ca לולאה באורך 8 70 צבע כחול rad 1.0 fattenRibbon שווא.
   4. אופציונלי: כדי ליצור תמוכות הפרט עם כלי מרחקים, בחר שני אטומי על ידי לחיצה על Shift-ctrl על כל אחד מהם, כלים לשימוש> ניתוח מבנה> מרחקים, ולחץ על צור להוסיף pseudobond. לניווטדואר אל לוח PseudoBond, בחר pseudobonds "מרחק הצג", לחץ על לחצן מאפיינים, וסמן את "רכיב PseudoBond תכונות" התיבה. בחלונית התחתונה, לשנות את סגנון אג"ח מחוט לדבוק ואת הרדיוס מ 0.2 ל 0.01.
   5. ייצוא טיוח כימרה כקובץ מודל 3D STL
      1. לאחר הייצוג הרצוי הושג, בחר קובץ> Scene היצוא לייצא את קובץ 3D. בחר STL כסוג ואת שם הקובץ ולשמור את המודל. הערה: קובץ STL זה ניתן לתיקון, אוריינטציה, והודפס כמתואר בסעיף 2 של הפרוטוקול.

2. קבצי STL תהליך להדפסה

1. קבצי STL תיקון עם Autodesk Netfabb
   הערה: דגם ייתכן שצריך לתקן כאשר היא מכילה חתיכות חופפים מרובות עם intersecting גיאומטרית, שהוא בדרך כלל המקרה עם מודלי סרט מודלים אטומיים. חופפים הגיאומטריה עלולה לגרום לשגיאות כאשר הקובץ נקרא על ידי כמה תוכנות חיתוך, כאזורים מצטלבים יכול להתפרש כמו הצד החיצוני של המודל. ניתן למצוא פרטים נוספים במוסף 2.1.
   1. הורד והתקן את הגרסה הרגילה של התוכנה.
   2. פתח את התוכנית ולייבא את הקובץ STL להיות מתוקן. אם יש בעיות עם הרשת, תמרור אזהרה יוצג.
   3. תוספות <שימוש תיקון חלק אוטומטית, בחר תיקון מורחב, ולחכות בזמן שקובץ מעובד; עבור מודלים קטנים, זה ייקח שניות, אבל עבור מודלים גדולים, זה יכול להימשך מספר דקות.
   4. לחץ לחיצה ימנית על דגם ובחר ייצוא חלק> כפי STL או להשתמש ב- Project> פרויקט ייצוא כמו STL להציל את מודל לתיקון; התוכנה תוסיף "לתקן" אתשם קובץ כדי להבדיל אותה מהקובץ המקורי.
2. מודלי אוריינט להדפסה עם Autodesk Meshmixer
   הערה: כיוון אופטימלי של מודל לפני החיתוך תפחית את מספר המסוכך ולכן מספר המשענות נדרשו במהלך תהליך ההדפסה. מודל מונחה בצורה אופטימלית יודפס במהירות רבה יותר, להשתמש בפחות חומר, ולהיות פחות סיכוי להיכשל במהלך הדפסה. ניתן למצוא פרטים נוספים במוסף 2.2.
   1. הורד והתקן תוכנה
   2. לייבא את הקובץ STL תוקן לתוכנית.
   3. בחר אוריינטציה ניתוח>.
   4. התאם את ערך משקל חוזק 100, ערך משקל כרך תמיכה ל -0, תמיכת פינת משקל 0, ולאחר מכן לעדכן את המודל. זה יהיה לסובב את המודל כדי למזער את מספר מערות. קבל את הכיוון שהתקבל.
   5. השתמש באפשרות קובץ> ייצוא ולבחור קובץ STL בינארי מהתפריט הנפתח. שמור את הקובץ.

3. חיתוך והדפסה

1. בחר חומר נימה
   הערה: הבחירה של חומר הדפסה צריכה להיעשות לפני באמצעות תוכנת חיתוך, כמו גדרות הדפסה תהיינה שונות עבור החומר שנבחר. שלושת החומרים שנעשה בהם שימוש נרחב הן חומצה polylactic (PLA), אלסטומרים תרמופלסטיים (TPE), ו אקריל ניטריל ניטריל (ABS). PLA הוא בדרך כלל החומר היעיל ביותר להדפסת מודלים מולקולריים מפורטים, כפי שהוא מתקרר במהירות, שומר היטב על הצלחת לבנות, ולעתים נדירות מעוות. TPE הוא חומר דומה PLA וניתן להשתמש בו כדי לייצר מודלים גמישים. מומלץ עבור מודלים פני חלבון משלימים או מודלי סרט חלבון. ABS חזק יותר וגמיש יותר PLA, אבל זה מייצר חלקיקים עלולים להיות מסוכנים במהלך הדפסת ^12. הוא בדרך כלל לא מומלץ להדפסת מודלים מולקולריים, כמו תוצאות טמפרטורת חומר הגבוהות lesזה ייצור מדויק של תכונות קטנות. ניתן למצוא פרטים נוספים במוסף 3.1.
   1. הדפסה עם חומצה polylactic (PLA).
      1. הגדר את טמפרטורת זרבובית 210 ° C. כדי להבטיח הדבקה של חלק למיטה, להגדיר את הטמפרטורה במיטה עד 70 מעלות צלזיוס. אם אתה משתמש מיטה מוסקת, לכסות אותו עם 'קלטת הציירים. השתמש קירור אקטיבי.
   2. הדפסה עם אלסטומרים תרמופלסטיים (TPE)
      1. חזור על שלב 3.1.1.1. הגדרת מהירות הדפסה עד 1,200 מ"מ / דקה או פחות.
   3. הדפסה עם אקריל ניטריל ניטריל (ABS)
      1. אין להשתמש קירור. הגדר את טמפרטורת זרבובית 240 מעלות צלזיוס. כדי להבטיח הדבקה של חלק למיטה, להגדיר את הטמפרטורה המיטה ל -110 מעלות צלזיוס.
2. צור G- קוד
   הערה: המודל ייובא ב -10 מיליון הגדלת פעמים כברירת מחדל. מודלים סרט צריך להיות scaled עד 20 מיליון פעמים (200%) או יותר. מודלים Surface print גם ב 100% או יותר. ניתן למצוא פרטים נוספים במוסף 3.2.
   1. הורד והתקן תוכנות חיתוך דפוס.
   2. השתמש באפשרות קובץ> דגם ייבוא ובחר את קובץ STL לתקנם בכיוון.
   3. קנה המידה של המודל על ידי לחיצה כפולה על מודל והזנת גורם שינוי גודל החלון בצד הימני של המסך.
   4. צור מבני תמיכת המודל. בחר את סמל התמיכה ולהשתמש תומך נורמלי, עם רזולוצית עמוד 1 זווית סככת מקסימום של 50 מעלות.
   5. לחץ ליצור כל התומך. הוספה או הסרה של תכונות מבנה תמיכה להתאים אישית מיקום תמיכה.
   6. בחר תהליך ולחץ הגדרות תהליך העריכה.
   7. קבע את תצורת הפרופיל עבור המדפסת וחומר זה נמצא בשימוש.
      הערה: רפסודה אפס מקום צריך להיות כלול, וסרט צריכים להיות מודפס דגמים ב 100% infill. ניתן למצוא הגדרות פרופיל מפורטות supplemeNT 3.2.
   8. המרת המודל לקובץ G-קוד שניתן לקרוא על ידי המדפסת. לחץ על "להכין להדפיס" כפתור ובחר את התהליך שמכיל את פרופיל מדפסת / חומר. שים את הנתיב של זרבובית המדפסת ולבדוק אותו לטעויות שעלולות לגרום בטביעה להיכשל.
      הערה: טעויות שיכולים לגרום ההדפסה להיכשל כוללות העדר תומך תחת סככות, חללים בלתי רצויים, שכבות חסרות, או איזורים ריקים, רזים מדי כדי להדפיס.
   9. שמור את הקובץ G-קוד על שולחן העבודה או ישירות לכרטיס SD.
3. הפעל את המדפסת
   הערה: כל מדפסת לעשות או מודל ייחודי, והכנתו וכיול להדפסה ישתנו בהתאם. עיינו במדריך למשתמש של המדפסת.
   1. ודא כי תחנת העבודה מחוברת למדפסת או שכרטיס SD עם GCODE הוא במדפסת.
   2. הכן את המדפסת על-ידי טעינת הנימה וההבטחה כי המיטה היא ברמה;לקבלת הוראות על הליכים אלה, עיינו במדריך של המדפסת.
   3. הפעל את ההדפסה מהמחשב או מקומי מכרטיס SD דרך תפריט המדפסת.
   4. צפה ההדפסה עד השכבה ראשונה הושלמה בהצלחה. אם יש שגיאות בשכבה הראשונה, להפיל ולהפעיל מחדש את ההדפסה.

4. פוסט פרודקשן עיבוד

הערה: טיפול כמובן צריך לקחת על זה, בגמר, הבמה. מבנים תומכים לדגם להסירו. הדבר נעשה בדרך כלל באופן ידני, אם כי גישות חלופיות, כגון שימוש של תמיכה נמסה, יכולות לשמש; לראות תוספת 4.

1. לנתק את האותיות מהצלחת לבנות ידי משיכתו בעדינות הצידה. אם הרפסודה דבקה בחום לצלחת לבנות, להפריד אותו על ידי החדרת קצה חד ביניהם.
2. הסר את מבני תמיכה מהמודל. ניתן להסיר תומך רב ביד, על ידי שבירה אותם על החלק ואת raיכול להיות מנותק ft. מודלים גמישים ידי משייך אותם מן החלק. לקבלת תמיכות שקשה להגיע או מחוברי מבנים עדינים, השתמשו מלקחות חיתוך קליפ לנקודה שבה התמיכה מתחברת החלק.

תוצאות

מודלים של ביומולקולות להדפסת 3D יציבה ואינפורמטיבי יכולים להיות מוכנים על ידי: (i) אג"ח עיבוי לספק יציבות, (ii) בחירת סוג או סגנון ייצוג מבנה משני בזהירות שיספק את תובנה ויציבות הגדולות, (iii) הדפסת biomolecule ב יותר ייצוג מולקולרי אחד, (iv) באמצעות נימה תעבד את כל או חלק של ביו-מולקולות גמישות, או (ה) יצירת הרכבה מורכבת היא מודולרית (כלומר, בחתיכות לחיבור).

כדי להמחיש כיצד להדפיס מודלים אינפורמטיבי ויציב כזה, התמקדנו מרכיבי הכרומטין על ייצור מודל היפותטי של הכרומטין. הכרומטין הוא הרכבת החלבון-DNA מורכב מאוד. למקטע חלבון היסוד של הכרומטין הוא חלבון היסטון. ישנם ארבעה חלבונים היסטון, כל אחת בהיקף של סליל-loop סליל (א "לקפל היסטון") ואחריו סליל אלפא המורחבת שני "לקפל היסטון." מבנה היסטון חלבון ניתן להפיק בקלות באמצעות ייצוג "סרט" (איור 3 א). לחלופין, מבנה חלבון היסטון ניתן להציג באמצעות פני השטח שלו בלבד (איור 3). ישנם שני עותקים של כל אחת מארבעה החלבונים היסטון, אשר להרכיב להרכיב octamer היסטון כדורי. Octamer היסטון הוא גדול מדי כדי להדפיס לחלוטין כייצוג סרט או מקל, בשל בקנה המידה הגדולה יותר שבו תכונות אלה צריכות להיות מודפסות. לכן, כזה הרכבת חלבון גדולה מוצגת טובה ביותר באמצעות ייצוג פני שטח (איור 3 ג). DNA יהיה להתוות דרך ברחבי octamer היסטון ליצירת חלקיק הליבה הנוקלאוזום 10 ננומטר בקוטר. הנתיב של DNA יכול להיות מוצג על ידי מיטב הדפסת שני מודלים נפרדים באמצעות נימה גמישה עבור DNA (איור 3D). חלקיקי ליבה הנוקלאוזום מחסניתעל זה לזה כדי ליצור אסיפה מסוג-גבוה-יותר, א 'סיבים, "30 ננומטר בקוטר מבנה suprahelical שמאלי. כדי טוב ביותר להמחיש כיצד חלקיקי הליבה הנוקלאוזום 10 ננומטר עשויים מחסנית לגבש חלקיקי 30 ננומטר הכרומטין הרכבה, פרט הדפסה "די-הנוקלאוזום" (איור 3E) ולאחר מכן לערום אותם לאחר ההדפסה (איור 3F).

לאחר משתלט עליו את עבודת משטח וסרט שחול יחיד שתוארה לעיל, לחקור ביצוע מגוון של מודלים אטומיים, מולקולריים, וחומרים מורכבים, כפי שמודגמת באיור 4. לדוגמא, לשלב ייצוגי משטח והסרט להגדיר חלקים שונים זה מזה של קומפלקס (ראה DNA פולימרז, איור 4B). להרוויח יותר מודלים מאלפים ומושכים באמצעות מדפסת שחול כפולה שיכול להמס שני חוטים בו זמנית לתוך אובייקט 3D יחיד (ראה האיור 4C). לחלופין, חלקים בצבע של הדגמים (ראו גואןine ואת סליל אלפא, איור 4 א). הדפס ולהרכיב את תת-יחידות של קומפלקס חלבון, כמו ערוץ נתרן, או לקחת את זה עוד יותר על ידי הדפסת חלקים נפרדים של קומפלקס והרכבת אותם מאוחר יותר לתוך דגם גדול יותר, רב-צבע (ראה מתחמי HIV-נוגדן ריבוזומלי, איור 4C). מודלים מורכבים מעין אלה, מוטב מסוגלים להראות תכונות פונקציונליות לעומת הדפסי נימה אחת. צבעים שונים יכולים לסמן, למשל, glycosylation לעומת חלבון (מודל HIV) או RNA לעומת חלבון (ראה מודל הריבוזום, איור 4C). הם גם לאפשר את הקמתה של חידות 3D חינוכיות, כמו הנוגדן מחייב אל פני שטח HIV (ראה קשריו gp120 ידי נוגדן, איור 4C), שבו רק בתצורת 3D אחד נותנת בכושר קרוב של שני החלקים. הוראות על הדפסת מודלים אלה ניתן למצוא במוסף 5. בנוסף, סיפקו לנו וידאו משלים הממחישות את בניית מודל 3D של ההדואר Fo / F1 synthase פרוטון ATP שנדפס חתיכות והרכיבו בצורה כזאת, כך שהוא יכול לשחזר את מנגנון רוטרי המתרחש במהלך זה אנזימי מנגנון קטליטי.

באיור 1. Workflow להכין ולהדפיס מודל 3D. אילוסטרייטד הם השלבים בהפקה בטביעה וביומולקולרית 3D פיזית: (i) הכנת המודל, כולל בחירת הייצוג; (Ii) פתיחת קובץ STL הציל של המודל ועיבוד את הקובץ באמצעות תוכנת חיתוך; (Iii) הדפסת המודל ובחירת החומר או נימה; ולבסוף, (iv) ביצוע השלבים שלאחר הייצור.אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2. מראות של ייצוגים שונים של מודלים בשלבים שונים של הכנה. שורה עליונה: ייצוגים נפוצים של שני מודלים (היוביקוויטין (PDB 1UBQ) ו ארגינין) מדמיינים באמצעות תכנית כימרה. בשורה תיכונה: toolpath ההדפסה שנוצר ממודלי STL כימרה, שצבעם נקבעו על פי סוג התכונה של היוביקוויטין ו ארגינין (כתום: דפוס infill; כחול כהה: מעטפת חיצונית; תכלת: קליפה פנימית). שורה תחתונה: דפסים סופיים של היוביקוויטין ו ארגינין. מודלי משטח ושני סרט של היוביקוויטין מודפסים ב -300% מתפוקת STL המחדל כימרה (ברירת מחדל כימרה הוא 1 ננומטר במודל ו -1 סנטימטר בדפוס), ואילו מודל ארגינין wכפי שיצא לאור ב 1000%. מודלי הסרט או מקל מחדל כימרה הם דקים מדי כדי להדפיס כהלכה, אבל הגירסות מעובות תודפסנה באופן מהימן. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3. תיאור מקרה הנוקלאוזום. (א) יחיד-היסטון H3 חלבון שניתנו על ידי עיבוי "סרטים," מודפס ב -300%. (ב) היסטון H3 חלבון "משטח" ייצוג, מודפס ב 200%. (C) חלבון היסטון octamer מודפס ב -100%. (ד) היסטון חלבון octamer (כתום) בקומפלקס עם DNA גמישה (לבן) מודפס ב -100%. (E) Dinucleosome מודל השטח מודפס עם רדיוס החללית מחדל והודפס בקנה מידה 100%. (ו) מ 'אודל של הכרומטין "סיבי 30 ננומטר" נוצר על ידי מודלים לערום בנפרד מודפס ידני של dinucleosome "10 ננומטר", שבו פני השטח היה מעובד עם רדיוס בדיקה של 3, מודפס ב 50% ו -25 גדלי%, והחזיק יחד עם פלסטלינה. הדפסים 3D נוצרו ממודל של dinucleosome (PDB 1ZBB). כל הדגמים זמינים באופן חופשי להורדה בבורסת הדפסת 3D NIH ^11. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4. דוגמאות של מודלים מודפסים 3D הופקו באמצעות מדפסות נימה. (א) שמאלי, חנות לממכר דגם כדור-מקל של מולקולות מי גבישי קרח משושה (הדפסה דו-נימה). התיכון, מודל של נוקלאוטיד (גואנין). נכון, אלפא חלבון h elix מודל עמוד שדרה בלבד מראה קשרי מימן (שחור). גואנין ואת סליל אלפא נצבעו באופן ידני עם sharpies. (ב) שמאל, ערוץ נתרן, המורכבת 4 יחידות משנה שניתן חברו יחדיו (PDB 3E89). התיכון, Plasmodium falciparum dehydrogenase L-לקטט (PDB 1T2D) מודפס כמו בסרטים. המודל, זכות לאתר הפעיל DNA פולימרז (PDB 1KLN), DNA מראה כמו משטח וחלבון כמו בסרטים. (C) שמאל, מעטפת שומני HIV עם גליקופרוטאין (PDB 5FUU) כבולה על ידי נוגדנים (PDB 1IGT), מודפסים ב 15%. תיכון, פרט של משטח אנטיגן גליקופרוטאין ב 150%, עם האזור המשתנה של הנוגדן כפי שמוצג בסרטים (PDB 5FYJ). מודלים, זכות הריבוזום 70S בקטריאלי (PDB 4V5D) ב 40% ו -20%. אחוזים מתייחסים פלט סטנדרטי כימרה, שבו 100% פירושו 1 ננומטר בהדפסי המולקולה כמו 1 מ"מ. כל הדגמים זמינים באופן חופשי להורדה בבורסת הדפסת 3D NIH ^11.oad / 55,427 / 55427fig4large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

מודלי 3D פיסיים של ביומולקולות לספק השלמת עצמה לשיטות מבוססת מחשב נפוצות יותר של ויזואליזציה. הבניינים הנוספים של ייצוג 3D פיזי לתרום הבנה אינטואיטיבית של מבנה biomolecular. בניית מודלי 3D הפיסיים של ביומולקולות יכולה להקל במחקרם באמצעות מדיום שמנצל מצבים מפותחים של תחושה אנושית. מודלי 3D לשרת לא רק כעזר החוקר, אך ניתן להשתמש כדי להקל על פעילויות פדגוגיות יכולים להגדיל את ההישג של למידה ותוצאות ^{13, 14, 15.} מגנטים ניתן להוסיף מודלים מפלסטיק כדי לאפשר הרכבה ופירוק, כפי שמוצג עם מודל של פוליפפטידים ^16. כמו כן, אובייקטים מודפסים 3D ניתן להשתמש במחקר, הוא בייצור של ציוד מעבדה ^17, כמו גם לעשות microflהתקנים uidic עבור תאים ¹⁸ ומודלים של גבישים ¹⁹ או נוירונים ^20. המניפולציה של מודלים פיזיים יכול לשמש כדי לקדם דיונים פעולה שיכולה לעורר תובנות חדשות.

ההתפתחויות אחרונות בטכנולוגיות הדפסת 3D והנחות בעלות של מדפסות מאפשרות יצירת מורכבים, מודלי 3D פיסיים של ביומולקולות ידי משתמש בודד. למרות טכנולוגיית הדפסת FFF נפוצה יותר ופחות יקרה מאשר שיטות אחרות, זה מציב מספר מגבלות. תהליך הדפסת 3D הוא זמן רב, תקלות מכאניות מתרחשות. מדפסות FFF בדרך כלל ניתן להדפיס רק חומר אחד לכל חלק, הגבלת התצוגה של נתוני צבע. הרזולוציה של מודלים שנעשו על מדפסות FFF נמוכה, כ -100 מיקרומטר לכל שכבה. אנו ממליצים לקורא לעבוד עם המגבלות האלה וכדי לפתח גישה עבור המדפסת biomolecule שלהם (ים) של עניין. הצגנו את processes דרושה למשתמש לפתח ייצוג 3D מנהג biomolecule העניין שלהם כי הוא מדויק, אינפורמטיבי, להדפסה. כמו עם כל טכנולוגיה חדשה, יש לעתים קרובות "כאבי גדילה" שיש להתגבר במהלך השימוש בו. אנו מספקים מספר דוגמאות בן בעיות ניתן נתקלו בתהליך של ביומולקולות הדפסת 3D (ראה תוספת 6).

לבסוף, באמצעות מאמר זה, היא המטרה שלנו לתרום לצמיחה של קהילה של משתמשים עוסקים הדפסת 3D של ביומולקולות. חשוב לציין כי NIH הקימה מאגר מידע לציבור לחלוק מודלים 3D ואת האמצעים שננקטו כדי להדפיס אותם ^10. אנו מעודדים השתתפות בתוקף משאב ייחודי זה (ראה תוספת 7 כדי לקבל הוראות כיצד להעלות הדפסת 3D מודל ומידע רקע לבורסת הדפסת 3D NIH).

Materials

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