研究と教育学のための生体分子モデルの3Dプリント

要約

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.

要約

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.

概要

生体分子の機能および活性の完全な理解は、3次元（3D）構造の決意を必要とします。これは、日常的に、X線結晶学、NMR、または電子顕微鏡を用いて達成されます。 3D構造は、それらが^1を表す構造に似ているモデル、または正確な物体の認識を介して理解することができます。研究者は、検証探索、および生体分子の機能に関する結果の仮説を通信するための歴史的、物理的な3Dモデルの構築が必要でした。このようなワトソン・クリックのDNAの二重らせんとポーリングのαヘリックス、などこれらのモデルは、構造と機能の関係にユニークな洞察を提供し、核酸とタンパク質の構造機能^2、3、4の私たちの初期の理解に極めて重要でした。複雑なタンパク質や核酸のモデルを作成することができますが、物理モデルを構築する時間とコストは、最終的には、コンピュータ支援分子可視化の相対的な容易さを上回るました。

また、添加剤の製造として知られる3Dプリントの開発は、再び生体分子⁵の物理モデルの構築を可能にしました。 3Dプリントは、材料（単数または複数）の層の逐次付加を介してデジタルファイルの物理的な、三次元物体を製造する方法です。種々の機構がこのプロセスで使用されています。最近まで、生体分子の物理的モデルを生成するために使用される機械は、広く使用されるにはあまりにも高価でした。しかし、10年で、3Dプリント技術は、溶融フィラメント製造（FFF）は、特に、民生⁶のため、それがアクセスできるよう、大幅に進歩してきました。 FFFプリンタは今高校、図書館、大学、研究室で一般に入手可能です。大きい手頃な価格と3D印刷技術のアクセシビリティ正確な、物理的な三次元生体分子モデル^{7、 図8、 図9}にデジタル3Dの生体分子モデルを変換することが可能となりました。このようなモデルは、単一の生体分子の簡単な表現だけでなく、例えばリボソームやウイルスキャプシド構造のような複雑な高分子集合体だけでなく、を含みます。熱可塑性押出法を用いて、特に、しかし、個々の生体分子及び高分子集合体を印刷する工程は、いくつかの課題を提起します。具体的には、生体分子の表現は、多くの場合、プリンタが生成するために困難であり、複雑な形状を持っており、正常に印刷されますデジタルモデルを作成し、処理することは、分子モデリング、3Dモデリング、および3Dプリンタソフトウェアとスキルが必要です。

生体分子を印刷するための3Dワークフローは、大きく4つのステップで行われます。（1）3Dプリントのためにその座標ファイルから生体分子モデルを用意します。（2）セグメントに「スライス」ソフトウェアにプリンタのモデルを生体分子のモデルをインポートし、物理的に生体分子モデルを下支えします支持構造を生成します。 （3）適切なフィラメントを選択し、3Dモデルを印刷します。 （4）モデルから支持体を除去するなどのポストプロダクション処理工程（ 図1及び2）。計算上、生体分子の座標ファイルを操作し、このプロセスの最初のステップは、非常に重要です。この段階で、ユーザは支柱の形でモデルの援軍を構築するだけでなく、ユーザーが表示することを選択したものに無関係なされている構造体を除去することができます。また、表現の選択は、この段階で行われる：表面表現、リボン、および/または個々の原子として生体分子の全部または一部を表示するかどうか。必要な付加および/またはコンテンツの減算が行われ、表示が選択されると、構造は、3Dカとして保存されデルファイル。次に、ファイルは、生体分子のプラスチックレプリカに、層によって、印刷することができる3Dプリント・ファイルに層をモデルに変換する第2のソフトウェアプログラムで開かれます。

私たちのプロトコルの目標は、FFFのプリンタへのアクセスが、に、より高価ではない3D印刷技術を持つ多数のユーザーへの分子モデルの製造がアクセスできるようにすることです。ここでは、FFFの印刷用に最適化されている方法で、3D分子データから生体分子の3Dプリントのためのガイドを提供します。複雑な生体分子構造の印刷性を最大化し、物理モデルの単純な後処理を確実にするためにどのように我々は、詳細。いくつかの一般的な印刷材料またはフィラメントの特性が比較され、柔軟なプリントを作成するためのそれらの使用に関する推奨事項が提供されます。最後に、我々は、異なる分子表現の使用を示す3Dプリント生体分子モデルの一連の例を紹介しました。

プロトコル

1.印刷用の3Dモデルファイルの準備します

注：（1）オンラインNIH 3Dプリント交換機¹⁰の自動化ツールを使用して、または（2）局所的に、分子モデリングソフトウェアを使用して：生体分子の3Dモデルファイルは、二つの方法によって生成することができます。自動的に生成されたモデルは、印刷可能な表現を作成するには、このプロトコルで詳述プロセスを使用しますが、表現の詳細は、ユーザが選択することはできません。これとは対照的に、カスタムモデルの生成は、生体分子の視覚特性をユーザが制御することができます。個々の原子、残基、および結合が表示することができ、リボン、債券、ストラットのスケールを指定することができます。 NIH 3Dプリント取引所の自動化ツールとの両方の下のプロトコルはUCSFキメラ、生体分子の3Dファイルの書き出しに適しているフリーでオープンソース分子モデリングソフトウェアパッケージ^11を使用します。以下のためのキメラ利用オングストロームによってエクスポートされたすべての3Dファイル距離ユニット。これらのファイルは1ミリメートル/距離単位でスライスソフトウェアにインポートされると、モデルは千万倍の倍率で拡大されます。

1. 自動的にNIHの3D印刷両替3D印刷可能なモデルを生成
   注：NIH 3Dプリント取引所は、ステップ1.2から1.3で説明した手順に類似しているキメラスクリプトを実行します。
   1. データベースのいずれかPDB、EMDB、またはPubChem（補足1.1）から印刷する生体分子構造の分子データファイルを探します。目的の生体分子のためのアクセッション番号を記録します。
   2. 初めてのユーザーならば、（3dprint.nih.gov）NIH 3Dプリント取引所に移動し、新しいユーザーアカウントを作成します。
   3. 、「 クイック送信 」機能にナビゲートし、生体分子のアクコードを入力し、[送信]をクリックします。
   4. 生体分子のモデルを生成した後、モデルのページに移動し、 リボン 」での生体分子のSTLファイルをダウンロード」または「 表面 」表現。プロトコルのセクション2に進んでください。
2. UCSFキマイラでカスタム分子モデルを生成します
   注：多くのステップのためのコマンドライン同等物を含む3Dモデルを、作るためのキメラの使用に関するより詳細は、サプリメント1.2に記載されています。
   1. ダウンロードして、UCSFキマイラをインストールする（https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html）。
   2. キメラを使用して、次のいずれかを実行して、分子データファイルを取得します：
      1. ツールバーコマンドファイルの使用> IDによって フェッチ 、データベースから直接ファイルを取得するPubchem、PDB、またはEMDBアクコードを入力してください。
      2. ツールバーコマンドファイル]> [開く]を使用して、ローカルの分子データファイルを取得。デフォルトでは、分子は、リガンドのタンパク質や核酸、原子との結合のためのリボンが表示され、浮標付き投げ荷の5オングストローム内の残基D。
      3. お気に入りに行くことによってアクセスさキメラコマンドラインを、使用>コマンドラインは 、Openコマンドを使用して、アクセッションコードを入力してください。
3. 生体分子の3次元表示可能な表現を準備します
   注：生体分子構造が表示されたり、表現することができるいくつかの方法があります。印刷用の特定の表現の選択は、生体分子の構造と機能への最大の洞察を提供する最善の方法に基づいて行われるべきです。一般的表現は、「リボン」、「表面」および「原子/結合を含む使用。 "しかし、それは選択した側鎖又はリガンドを表示するには、これらの表現の組み合わせを使用して探索するのが最善です。また、3Dプリント構造が印刷されるのに十分に堅牢でなければならず、取り扱い時に壊れないように。したがって、表現を選択するか、側鎖を表示する際にこれを考慮することが重要です。アルス島O支持構造​​、または導入を検討」ストラットを。」モデルを印刷するときに最後に、すべての機能が正しく印刷されるようにそれを拡張することが重要になります。したがって、より大きな生体分子のために、リボンまたは原子表現に完全に印刷することは、これらを印刷する必要があるはずの規模に実現可能ではないかもしれません。
   1. 「リボン」で3Dプリント可能な表現を生成します
      注：その他の詳細は、サプリメント1.2.1に記載されています。
      1. 選択>構造>溶剤を使用することにより、イオンを含んでいる目に見える「 溶媒」を選択します。
      2. アクション>原子/債券>非表示を使用して選択し 、「 溶剤」を非表示にします。
      3. それが正常に印刷できるように、リボンの直径を厚く。 ツール>描写の下にリボンスタイルエディタ]メニューを使用してください。
         注：蘇スケーリング]タブの下で 、少なくとも次のように、少なくとも0.7および各設定の幅にすべてのアイテムの高さを変更します：最初の試みのためggestedパラメータコイル 0.7。 らせん 1.4; シート ：1.4; アロー（ベース）：2.1; アロー（先端）0.7。 1.0 核酸 。
      4. 核酸が存在する場合は、[アクション]> [原子/債券>ヌクレオチドオブジェクト>設定で基本表現を変えます。はしごする砂糖/ベースディスプレイと0.6ラング半径を変更してください。
      5. オプション：支持構造を導入するために1.3.3に進みます。
   2. 分子の3D-印刷可能な「面」表現を生成
      注：その他の詳細は補足1.2.2で見つけることができます。
      1. 以前のすべての表現を非表示にします。 アクション>原子/債券>非表示、およびアクションを使用してください>リボン>隠す。
      2. 球として原子をレンダリングする場合、目的の原子（複数可）を選択し、 アクションに行くことによって、半径を調整>メニューを点検します。
         注：デフォルトの原子半径を変更すると、それが簡単に印刷されたモデルで異なる原子タイプを区別することができます。
      3. いずれかのリボン>隠す> アクション>原子/債券>非表示とアクションを使用することにより、リボン、原子、債券、pseudobondsを表示非表示にします。
      4. 表面詳細が所望される場合、表面の計算がより正確になるように、水素原子を加えます。 [ツール]> [構造の編集> ADDHを使用してください。
      5. コマンドラインでサーフィン＃0グリッド0.5を入力することにより、表面を生成します。
   3. で3Dプリント可能な表現の生成」の原子/結合を。」
      注：その他の詳細は補足1.2.3で見つけることができます。
      1. 溶剤を非表示にします。つかいます>構造>次に溶媒とアクション>原子/債券>非表示を 選択 します 。
      2. 選択し、[アクション]> [原子/債券>ショーでそれらを示すことによって、原子との結合として表現における特定の残基および/またはリガンドを表示します。原子が表現されている方法は、スティック、ボール＆スティック 、または球体を選択して[アクション]> [原子/債券のドロップダウンに変更することができます。
      3. メニューを点検>選択を行った後、スティックやボールの半径を大きくし、 アクションを使った表現を貼り付けます。
      4. オプション：支持構造を導入するために1.3.4に進みます。
4. 3D-印刷可能な表現に構造的なサポートを追加
   注：その他の詳細は、サプリメント1.2.4および1.2.5に記載されています。この段階では、ストラットは、3Dモデルに追加することができ。小さなタンパク質（ すなわち、50残基未満）は、多くの場合、典型的な厚さのリボンとして表現されており、このようなサポートなしでうまく印刷することができるが、安定性のための骨格水素結合を含むようにαへリックスとβシート二次構造のために推奨されます。しかし、より大きなタンパク質のために、あっても水素結合を加えて、多くのリボンモデルはまだ正常に印刷するにはあまりにも繊細です。 Strutsは、任意の分子特性を反映するが、このように印刷し、取り扱いを容易、機械的強度に追加していないモデル内の物理的な接続です。キメラは、自動的にコマンドライン経由でストラットコマンドを使用してモデルに支柱を追加する簡単な方法を提供し、個々のストラットは、手動で距離ツールを使用して表示することができます。
   1. 丈夫印刷を準備するために水素結合を表示します。メニュー[ツール]> [構造解析> FindHBondを使用してください。
   2. ツールの使用>一般続きrols> PseudoBondパネルは、水素結合を変更します。 「水素結合」pseudobondsを選択し、 属性のボタンをクリックし、「 コンポーネントPseudoBond属性 」チェックボックスをオンにします。下のパネルでは、0.2から0.6に固執し、 半径値するワイヤからボンドのスタイルを変更します。
   3. オプション： ストラットコマンドを使用して、支持構造体（複数可）、または「ストラット」を追加。ノーさらに離れて8オングストロームよりも、すべての70残基の炭素アルファで1.0オングストロームの半径を持つ青ストラットを作成するには、次のコマンドを使用します。@ca長さ8ループ70色青ラド1.0 fattenRibbon偽の支柱 。
   4. オプション：、 距離ツールで、個々のストラットを作成し、それらのそれぞれにシフトCTRLクリックして、2個の原子を選択し、使用ツール>構造解析>距離 、およびpseudobondを追加するために作成する]をクリックします。 NavigatPseudoBondパネルに電子は、「距離モニタ」pseudobondsを選択する属性]ボタンをクリックして、「コンポーネントPseudoBond属性 」チェックボックスをオンにします。下のパネルでは、0.2から0.01に固執し、 半径値するワイヤからボンドのスタイルを変更します。
   5. STL 3Dモデルファイルとしてキメラのレンダリングのエクスポート
      1. 目的の表現が得られたら、3Dファイルをエクスポートするには、[ファイル]> [エクスポート]シーンを使用します 。ファイルの種類と名前としてSTLを選択して、モデルを保存します。注：このSTLファイルは、修復配向、及びプロトコルのセクション2で説明したように印刷することができます。

印刷用2.プロセスのSTLファイル

1. オートデスクNetfabbと修理STLファイル
   注：それはInteに持つ複数のオーバーラップする部分を含んでいる場合に、モデルは、修理が必要な場合があり一般的にリボンモデルと原子モデルの場合のジオメトリを、rsecting。ファイルは、いくつかのスライスソフトウェアによって読み取られたときに、交差領域がモデルの外部と解釈することができるようにオーバーラップ形状は、エラーを引き起こす可能性があります。より詳しくは、サプリメント2.1に記載されています。
   1. ソフトウェアの標準バージョンをダウンロードしてインストールします。
   2. プログラムを開いて、修復されるSTLファイルをインポートします。メッシュに問題がある場合、警告記号が表示されます。
   3. 使用エクストラ>自動パート修復 、 拡張修復を選択し、ファイルが処理されている間待ちます。小さなモデルのために、これは秒かかりますが、大規模モデルのために、それは数分かかる場合があります。
   4. モデルを右クリックし、STLとしてエクスポートパート>を選択または修復モデルを保存するためにSTLとしてプロジェクト>プロジェクトのエクスポートを使用します。プログラムはに「 修理 」を追加しますファイル名は、元のファイルと区別します。
2. オートデスクMeshmixerで印刷するためのオリエントモデル
   注：前のスライスのモデルの最適な向きは、オーバーハングの数、従って、印刷プロセス中に必要な支持体の数を減少させます。最適指向モデルは、より高速な印刷少ない材料を使用し、印刷時に失敗する可能性が低くなります。より詳しくは、サプリメント2.2に記載されています。
   1. ソフトウェアをダウンロードしてインストール
   2. プログラムに修理STLファイルをインポートします。
   3. 分析>オリエンテーションを選択します 。
   4. 0に、0に、100にサポートエリア重量を支える巻重量値を強度重量値を調整し、モデルを更新。これは、突出部の数を最小限にするために、モデルを回転させます。結果の向きを受け入れます。
   5. ファイル]> [エクスポート]を使用して、ドロップダウンメニューからバイナリSTLファイルを選択します。ファイルを保存します。

3.スライスと印刷

1. フィラメント材料を選択
   注：印刷設定が選択された材料のために異なるであろうとして、印刷材料の選択は、スライスソフトウェアを使用する前に行う必要があります。広く使用されている3つの材料は、ポリ乳酸（PLA）、熱可塑性エラストマー（TPE）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）です。それはすぐに冷えるとPLAは、一般的に詳細な分子モデルを印刷するための最も効果的な材料である、ビルドプレートによく付着し、まれに反っていません。 TPEは、PLAと同様の材料であり、柔軟なモデルを生成することができます。これは、補完的なタンパク質表面モデルまたはタンパク質のリボンモデルをお勧めします。 ABSは、PLAより強く、より柔軟ですが^、12を印刷している間、それは潜在的に危険な微粒子を生成します。これは、一般的にレが高い材料温度の結果として、分子モデルを印刷するにはお勧めしません小さな特徴の正確な生産をね。より詳しくは、サプリメント3.1に記載されています。
   1. ポリ乳酸（PLA）を使用したプリント。
      1. 210°Cにノズル温度を設定します。ベッドに部品の接着を確実にするために、70℃に床の温度を設定します。非加熱のベッドを使用している場合は、画家のテープでそれをカバーしています。能動的な冷却を使用してください。
   2. 熱可塑性エラストマー（TPE）での印刷
      1. 手順を繰り返し3.1.1.1。 1200ミリメートル/ min以下に印刷速度を設定します。
   3. アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）で印刷
      1. 冷却を使用しないでください。 240℃にノズル温度を設定します。ベッドに部品の接着を確実にするために、110°Cに床の温度を設定します。
2. Gコードを生成します
   注：モデルは、デフォルトでは千万倍の倍率でインポートされます。リボンモデルを20万回（200％）以上にスケーリングする必要があります。サーフェスモデルPR100％またはそれ以上でもint型。より詳しくは、サプリメント3.2に記載されています。
   1. ダウンロードして印刷スライスソフトウェアをインストールします。
   2. [ファイル]> [インポートモデルを使用して修復し、指向のSTLファイルを選択します。
   3. モデルをダブルクリックし、画面の右側のウィンドウで倍率を入力してモデルを拡大縮小。
   4. モデルのための支持構造を生成します。サポートのアイコンを選択して、1の柱の解像度と50°の最大張り出し角度で、通常のサポートを使用します。
   5. すべてのサポートを生成]をクリックします。支持構造体を追加または削除サポートの配置をカスタマイズする機能。
   6. プロセスを選択し、 編集処理の設定 ] をクリックします。
   7. 使用されているプリンタと材料のプロファイルを設定します。
      注：いかだやつばが含まれるべきである、とリボンモデルが100％のインフィルで印刷する必要があります。詳細なプロファイル設定がsupplemeで見つけることができますNT 3.2。
   8. プリンタによって読み取ることができるGコードファイルにモデルを変換します。ボタンを、プリンタ/材料のプロファイルを含むプロセスを選択し、「 印刷するための準備 」をクリックします。プリンタのノズルのパスを確認し、印刷が失敗する可能性があり、エラーのためにそれを点検。
      注：印刷が失敗する可能性がありますエラーは、印刷するにはあまりにも薄いオーバーハングの下で​​サポートし、望ましくない空洞、欠落している層、または領域が存在しないことがあります。
   9. デスクトップに直接SDカードにGコードファイルを保存します。
3. プリンタを操作します
   注：各プリンタメーカーやモデルが一意であり、印刷のためのその調製およびキャリブレーションは、それに応じて変化します。プリンタのマニュアルを参照してください。
   1. ワークステーションがプリンタに接続されているかGCODEとSDカードがプリンタであることをことを確認してください。
   2. フィラメントをロードし、ベッドがレベルであることを保証することにより、プリンタを準備します。これらの手順の手順については、プリンタのマニュアルを参照してください。
   3. プリンタのメニューを介してコンピュータから、またはローカルでSDカードから印刷を開始します。
   4. 第1の層が正常に完了するまで印刷をご覧ください。第一層にエラーがある場合は、中止し、印刷を再開します。

4.ポストプロダクション処理

注：もちろんのケアこの時に注意する必要があり、最終ステージ。モデル上の支持構造を削除する必要があります。このような溶解性支持体の使用などの代替的なアプローチが、使用され得るが、これは一般に、手作業で行われます。サプリメント4を参照してください。

1. 静かに横に引いて、ビルドプレートから印刷を外します。いかだは、ビルドプレートに強固に付着した場合、それらの間の鋭いエッジを挿入することによってそれを分けます。
2. モデルから支持構造を削除します。多くの支持体が部分とRAのオフにそれらを破壊することにより、手作業で除去することができますフィート柔軟なモデルが部分からそれらを離れて引っ張ることにより取り外すことができます。到達することが困難であるか、繊細な構造に接続され、支持体が部品に接続点をクリップするペンチ切断使用をサポートするため。

結果

安定かつ有益な生体分子の3D印刷可能なモデルをすることによって調製することができる。安定性を提供するために、（ⅰ）肥厚債、（ii）は慎重に最大の洞察力と安定性を提供する二次構造表現のタイプやスタイルを選択する、（iii）の中の生体分子を印刷、1分子の表現よりも（iv）の柔軟な生体分子の全部または一部をレンダリングするフィラメントを使用して、または（v）は （接続枚で、すなわち ）モジュール化されて複雑なアセンブリを生成します。

このような有益かつ安定したモデルを印刷する方法を説明するために、我々はクロマチンのコンポーネントにクロマチンの仮説モデルを生産に焦点を当てました。クロマチンは非常に複雑なタンパク質-DNAアセンブリです。クロマチンの基本的なタンパク質サブユニットは、ヒストンタンパク質です。 4ヒストンタンパク質は、それぞれヘリックスからなる、あります拡張されたαヘリックスと第二に続く - ループ - ヘリックス（「ヒストン倍」）「ヒストン倍。」ヒストンタンパク質の構造が簡単に「リボン」の表現（ 図3A）を用いて製造することができます。代替的に、ヒストンタンパク質の構造は、その表面（ 図3B）を使用して表示することができます。球状ヒストン八量体を形成するために組み立て4ヒストンタンパク質の各々の2つのコピーが存在します。ヒストン八量体は、これらの機能は印刷する必要があるで大規模に、リボンまたはスティック表現として完全に印刷するには大きすぎます。したがって、このような大きなタンパク質アセンブリは、最高の表面表現（ 図3C）を使用して表示されます。 DNAは、10nmの直径ヌクレオソームコア粒子を形成するために、ヒストン八量体の周りに経路をグラフ化します。 DNAの経路が最良二つの別々のモデルを印刷し、DNA（ 図3D）のための柔軟な繊維を使用して表示することができます。ヌクレオソームコア粒子は、スタック互いの上に、30nmの直径「繊維」左手suprahelical構造の高次アセンブリを形成します。最高の10-nmのヌクレオソームコア粒子が30nmのクロマチンアセンブリ、印刷個々の「ジ-ヌクレオソーム」粒子（ 図3E）を形成した後（ 図3F）を印刷した後、それらをスタックするスタックかもしれ方法を説明します。

一度前述の単一の押出面とリボンワークフローを習得し、 図4に示すように、原子、分子、複合モデルの範囲を作る探ります。例えば、（DNAポリメラーゼ、 図4Bを参照）複合体の離れた異なる部分を設定する表面とリボン表現を組み合わせます。単一の3Dオブジェクトに同時に2本のフィラメントを溶かすことができ、二重押出プリンタを使用することによって、より有益かつ魅力的なモデルを作成します（ 図4Cを参照）。また、モデルのペイント部分が（参照関INEとαヘリックス、 図4A）。印刷およびナトリウムチャネルのように、タンパク質複合体のサブユニットを組み立てる、または複合体の異なる部分を印刷し、より大きな、マルチカラーのモデルに後でそれらを組み立てることによって、さらにそれを取る（HIV抗体およびリボソーム複合体を参照してください、 図4C）。このような複合モデルは単芯のプリントに比べて機能的な特徴を示すために、より良いことができます。異なる色は、例えば、タンパク質対タンパク質に対するグリコシル化（HIVモデル）またはRNA（リボソームモデル、 図4Cを参照してください）、強調表示することができます。彼らはまた、ただ一つの3D設定は、両方の部品の密着を与えるHIV表面に結合する抗体（抗体によって結合するgp120、 図4Cを参照）、同様に、教育3Dパズルの作成を可能にします。これらのモデルを印刷の手順加えてサプリメント5で見つけることができ、我々は番目の3Dモデルの構成を示す補足ビデオを提供してきましたそれは、これが触媒機構を酵素中に発生する回転機構を再現することができるようにバラバラに印刷され、このように組み立てた電子Foを/ F1プロトンATP合成酵素。

3Dモデルを作成し、印刷するために 、図1 のワークフロー。イラストは、物理的な3D生体分子印刷生産に段階ある：表現を選択するなどのモデルを用意（i）を 、 （ⅱ）モデルの保存.STLファイルを開き、スライスソフトウェアを使用してファイルを処理します。 （iii）のモデルを印刷し、材料やフィラメントを選択します。そして最後に、（iv）のポストプロダクションのステップを実行します。この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

準備の様々な段階でのモデルの異なる表現の 2 ビジュアル図 。一番上の行：2のモデル（ユビキチン（PDB 1UBQ）およびアルギニン）の一般的な表現は、プログラムキメラを用いて可視化。 中段 ：ユビキチンとアルギニンの機能タイプ（：インフィルパターンと、ダークブルー：オレンジ色のアウターシェル、ライトブルー：インナーシェル）によって着色キメラSTLモデルから生成された印刷ツールパス、。 一番下の行：ユビキチンとアルギニンの最終的な印刷されます。表面とデフォルトキメラのSTL出力の300％で印刷ユビキチンの2リボンモデル（キメラのデフォルトは、印刷中のモデルと1 cm単位で1 nmである）、アルギニンモデルワットながら、1000パーセントで印刷しました。キメラデフォルトのリボンやスティックモデルが正しく印刷するにはあまりにも薄いですが、肥厚したバージョンが確実に印刷されます。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3. ヌクレオソームのケーススタディ 。 （A）300％で印刷肥厚によってレンダリングシングルヒストンH3タンパク質「リボン」。 （B）200％で印刷ヒストンH3タンパク質「表面」表現。 100％で印刷八量体（C）ヒストンタンパク質。 100％で印刷柔軟なDNA（白）との複合体中の（D）ヒストンタンパク質の八量体（オレンジ）。 （E）Dinucleosome表面モデルは、デフォルトのプローブ半径を用いて印刷し、100％スケールで印刷されます。 （F）は、m手動で個別表面は、3オングストロームのプローブ半径を使用してレンダリング50％と25％のサイズで印刷し、開催された「10-nm」でdinucleosome、の印刷されたモデルを積み重ねることによって作成されたクロマチン「30-nmの繊維」のodel一緒にプレイ・ドーと。 3Dプリントはdinucleosome（PDB 1ZBB）のモデルから生成しました。すべてのモデルはNIH 3Dプリント取引所¹¹からダウンロードして自由に利用できます。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図 3Dプリントモデルの 4 例は、フィラメントのプリンタを使用して製造しました。 （A）左、六方氷晶（デュアルフィラメントプリント）中の水分子の球棒モデル。ミドル、ヌクレオチド（グアニン）のモデル。右、タンパク質アルファH水素結合を示すELIXバックボーン専用モデル（黒）。グアニンおよびαヘリックスはsharpiesを使用して手動で着色しました。 （B）左、一緒に連結することができ、4サブユニットからなるナトリウムチャネル、（PDB 3E89）。リボンのように印刷された中東、 熱帯熱マラリア原虫 L-乳酸脱水素酵素（PDB 1T2D）。 DNAポリメラーゼ活性部位（PDB 1KLN）の右、モデル、リボンなどの表面やタンパク質として示すDNA。 15％で印刷抗体（PDB 1IGT）、によって結合された（C）糖タンパク質と左、HIV脂質エンベロープ（PDB 5FUU）。リボン（PDB 5FYJ）として示した抗体の可変領域とミドル、150％での糖タンパク質抗原の表面の詳細、。 40％と20％で、細菌の70Sリボソーム（PDB 4V5D）の右側、モデル。パーセンテージは100％が1ミリメートルのような分子のプリントで1ナノメートルを意味し、標準キメラ出力、を参照してください。すべてのモデルはNIH 3Dプリント取引所¹¹からダウンロードして自由に利用できます。OAD / 55427 / 55427fig4large.jpg "ターゲット=" _空白 ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

ディスカッション

生体分子の物理的な3Dモデルは、視覚化のより一般的なコンピュータベースの方法を強力に補完します。物理的な3D表現の追加プロパティは、生体分子の構造の直感的な理解に貢献しています。生体分子の物理的な3Dモデルの構築は、人間の感覚のよく発達したモードを利用する媒体の使用を介して彼らの研究を容易にすることができます。 3Dモデルは、研究者の助けとしてだけではなく働くが、教育活動を促進するために使用することができ、学習が^{13、14、15の}結果の成果を高めることができます。磁石は、ポリペプチド¹⁶のモデルで示すように、組み立ておよび分解を可能にするために、プラスチック製のモデルに追加することができます。また、3次元印刷オブジェクトがmicroflを作るために、ならびに研究室機器¹⁷の製造においても、研究に使用することができますセル¹⁸および結晶¹⁹またはニューロン²⁰のモデルのためuidicデバイス。物理モデルの操作は、新たな洞察を鼓舞することができ共同の議論を促進する働きをすることができます。

プリンタのコストで3Dプリント技術と削減における最近の開発は、個々のユーザによって生体分子の複雑な、物理的な3Dモデルの作成が可能になります。 FFFの印刷技術は、より一般的な他の方法よりも安価であるが、多くの制限をもたらします。 3D印刷プロセスは時間がかかり、かつ機械的な障害が発生しました。 FFFのプリンタは、通常、色情報のみの表示を制限し、一部ごとに1つの材料を印刷することができます。 FFFプリンタで作られたモデルの分解能は、層ごとに100μmの周りに低いです。我々は、これらの制限で動作するようにし、興味のあるプリンタおよび生体分子（複数可）のためのアプローチを開発するリーダーをお勧めします。私たちは、proceを提示しています、正確な情報を提供する、および印刷可能です興味のある生体分子のカスタム3D表現を開発するユーザーのために必要SSES。すべての新しい技術と同様に、その使用中に克服しなければならない "成長の痛み」は、しばしばあります。私たちは、問題が3Dプリントの生体分子（サプリメント6を参照）の過程で発生する可能性のあるいくつかの例を提供します。

最後に、この記事を通じて、生体分子の3Dプリントに従事するユーザのコミュニティの発展に貢献するために私たちの目標です。重要なのは、NIHは、3Dモデル、それらに^10を印刷するために使用される方法を共有するために公共のデータベースを確立しています。私たちは強く、このユニークなリソース（NIH 3DプリントExchangeに3Dモデルの印刷と背景情報をアップロードする方法については補足7を参照）への参加を奨励しています。

資料

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