3D печать биомолекулярной модели для исследования и педагогики

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

Глубокое понимание функции и активности биомолекулы требует определения его трехмерной (3D) структуры. Это обычно достигается с помощью рентгеновской кристаллографии, ЯМР, или электронной микроскопии. 3D структуры могут быть поняты через восприятие моделей или объектов , напоминающих точных структур , которые они представляют ^1. Исторически сложилось так, построение физических 3D-моделей было необходимо для исследователей, чтобы проверить, исследовать и передавать полученные гипотезы относительно функции биомолекул. Эти модели, такие как двойной спирали ДНК Уотсона-Крика и альфа - спирали Полинга, при условии , уникальное понимание структурно-функциональных отношений и имеют решающее значение для нашего раннего понимания нуклеиновой кислоты и белковой структуры-функции ^{2, 3, 4.} Несмотря на то, сложный белок, и модели нуклеиновых кислот могут быть созданы,время и стоимость строительства физической модели в конечном итоге перевешивают относительной легкости компьютерного молекулярной визуализации.

Развитие 3D - печати, также известный как аддитивного производства, вновь позволило строительство физических моделей биомолекул ^5. 3D печать является процесс изготовления физического, 3D объект из цифрового файла с помощью последовательного добавления слоев материала (ов). Существуют разнообразные механизмы, используемые в этом процессе. До недавнего времени, машины, используемые для производства физических моделей биомолекул были слишком дорогими, чтобы быть широко использованы. Тем не менее, в последнее десятилетие технологии 3D печати, плавленый изготовление нити (FFF) , в частности, значительно продвинулась, что делает его доступным для бытового использования ^6. FFF принтеры в настоящее время широко доступны в средних школах, библиотеках, университетах и ​​лабораториях. Чем больше доступность и доступность технологии 3D печатисделало возможным преобразовать цифровые 3D модели биомолекул в точные, физические 3D модели биомолекулярными ^{7, 8, 9.} Такие модели включают в себя не только простые представления одиночных биомолекул, но и сложные высокомолекулярные узлы, такие как рибосомы и вирусного капсида структур. Тем не менее, процесс печати отдельных биомолекул и высокомолекулярные сборки создает ряд проблем, в частности, при использовании термопластичных методов экструзии. В частности, представления биомолекул часто имеют сложные геометрические формы, которые трудно для принтеров производства, а также создания и обработки цифровых моделей, которые будут печататься успешно требует навыка с молекулярного моделирования, 3D-моделирования и программного обеспечения принтера 3D.

3D рабочий процесс для печати биомолекулы широко встречается в четыре этапа: (1) приготовление биомолекулярной модель из ее файла координат для 3D-печати;(2) импортировать биомолекулярной модель в программное обеспечение "нарезка" для сегмента модель принтера и сформировать структуру поддержки, которая будет физически подпирать биомолекулярной модель; (3) выбор правильной нити и печать 3D-модели; и (4) стадии обработки после производства, включая удаление материала подложки из модели (рисунки 1 и 2). Первым шагом в этом процессе, в вычислительном отношении манипулирования координатную файл биомолекулы, имеет решающее значение. На этом этапе пользователь может построить модель армирование в виде распорки, а также удалить структуры, которые постороннее к тому, что пользователь выбирает для отображения. Кроме того, выбор представления сделан на данном этапе: следует ли отображать все или часть биомолекулы в качестве поверхностного представления, ленты, и / или отдельных атомов. После того, как необходимые дополнения и / или сокращениях содержания сделаны и выбирается представление, структура сохраняется в виде 3D-модель-файла. Затем файл будет открыт во второй программной программы для преобразования модели в файл печати 3D, который может быть напечатан, слой за слоем, в пластиковой копией биомолекулы.

Цель нашего протокола, чтобы сделать изготовление молекулярных моделей доступны для большого количества пользователей, имеющих доступ к FFF принтерам, но не более дорогие 3D технологии печати. Здесь мы предоставляем руководство для 3D печати биомолекул из молекулярных данных 3D, с помощью методов, которые оптимизированы для FFF печати. Мы подробно, как максимально сложных печатных свойств биомолекулярных структур и обеспечивают простую последующую обработку физических моделей. Свойства нескольких общих печатных материалов или нитей сравниваются, а также рекомендации по их использованию для создания предусмотрены гибкие печатные издания. Наконец, мы представляем ряд примеров 3D-моделей печатных биомолекул, которые демонстрируют использование различных молекулярных представлений.

протокол

1. Подготовка 3D модели файлов для печати

Примечание: 3D - файлы модели биомолекул могут быть получены с помощью двух методов: (1) в Интернете с помощью автоматизированных средств НИЗ 3D печати биржи ^10, или (2) локально с использованием программного обеспечения молекулярного моделирования. Автоматически генерируемые модели будут использовать процессы, описанные в данном протоколе для создания печатных представлений, но детали представления не могут быть выбраны пользователем. В отличие от этого, поколение пользовательских модель позволяет пользователю контроль над визуальных свойств биомолекул. Отдельные атомы, остатки, и облигации могут быть отображены, и масштаб лент, облигаций, и распорки могут быть указаны. NIH 3D печати Обмен автоматизированных инструментов и протокол ниже оба используют UCSF Химера, свободным и открытым исходным кодом молекулярного моделирования программного пакета ¹¹ , который хорошо подходит для экспорта 3D файлов биомолекул. Все 3D-файлы, экспортируемые Химеры ангстрем для использованиярасстояние единицы. Когда эти файлы импортируются в программное обеспечение, нарезания на 1 мм / единицы измерения расстояния, модели будут уменьшены на 10 миллионов кратным увеличением.

1. Автоматически генерировать для печати 3D - модель с НИЗ 3D печати биржи
   ПРИМЕЧАНИЕ: NIH 3D печати Обмен работает химера скрипты, которые похожи на шаги, описанные в пунктах 1.2-1.3.
   1. Найдите файл молекулярных данных о биомолекулярных структуры печати из базы данных-либо PDB, EMDB или PubChem (приложение 1.1). Запишите номер для присоединения биомолекулы интересов.
   2. Перейдите к NIH 3D печати биржи (3dprint.nih.gov) и создать новую учетную запись пользователя, если пользователь первый раз.
   3. Перейдите к функции "Быстрый Отправить", введите код биомолекулы присоединения, и нажмите кнопку.
   4. После создания модели биомолекулы, перейдите на страницу модели и загрузите файл STL биомолекулярная в "ленте"Или" поверхность "представление. Перейдите к разделу 2 протокола.
2. Создавать пользовательские молекулярную модель с UCSF Химера
   Примечание: Более подробно об использовании химерами для создания 3D-моделей, в том числе командной строки, эквиваленты для многих шагов, можно найти в приложении 1.2.
   1. Загрузите и установите UCSF Химера (https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html).
   2. Использование химерами, извлечения файла молекулярных данных, выполнив одно из следующих действий:
      1. С помощью команды меню Файл на панели инструментов> Роботу ID, введите код присоединения PubChem, PDB или EMDB для извлечения файла непосредственно из базы данных.
      2. С помощью команды панели инструментов Файл> Открыть, получить локальный файл молекулярных данных; по умолчанию, молекула будет отображать ленты для белка и нуклеиновых кислот, атомов и связей для лигандов и остатков в пределах 5 Å от ligan вd.
      3. Использование командной строки химеры, доступ к которому , перейдя в Избранное> Командная строка, используйте команду Открыть и введите код присоединения.
3. Подготовка 3D-печати представление биомолекулы
   Примечание: Есть несколько способов, которыми биомолекулярная структура может быть отображены или представлены. Выбор конкретного представления для печати должен быть сделан на основе того, как наилучшим образом обеспечить наибольшее понимание структуры-функции биомолекул. Обычно используемые представления включают "ленты", "поверхность" и "атомов / облигации". Тем не менее, лучше всего исследовать, используя комбинацию этих представлений для отображения выберите боковые цепи или лиганды. Кроме того, 3D-печатная структура должна быть достаточно прочным, чтобы быть напечатаны и не нарушать при манипулировании. Таким образом, важно учитывать это при выборе представления или отображения боковой цепи. AlsО рассмотреть вопрос о введении опорных конструкций, или «распорки». И, наконец, при печати модели, это будет важно, чтобы масштабировать его таким образом, что все функции будут напечатаны неправильно. Таким образом, для больших биомолекул, печать полностью в лентах или атом представлений может быть не представляется возможным из-за масштаба, в котором они должны были бы быть напечатаны.
   1. Создание 3D-печати представительство в "ленточки"
      Примечание: Более подробную информацию можно найти в приложении 1.2.1.
      1. Выберите видимый "растворитель" , который включает в себя ионы, с помощью Select> Структура> растворителя.
      2. Скрыть выбранный "растворитель" , используя Действия> Atoms / Облигации> Скрыть.
      3. Утолщение диаметр ленты таким образом, чтобы она может быть успешно напечатано. С помощью меню ленты Style Editor в Сервис> Живописание.
         Примечание: Всggested параметры для первой попытки: на вкладке Scaling, изменить высоту каждого элемента по меньшей мере , 0,7 , а ширина каждого параметра по крайней мере, следующее: катушка 0,7; Helix 1.4; Лист: 1,4; Стрелка (основание): 2.1; Стрелка (подсказка) 0,7; Нуклеиновые 1.0.
      4. Если нуклеиновая кислота присутствует, изменяет базовое представление Действия> Atoms / Облигации> нуклеотидных объекты> Настройки. Изменение содержания сахара / базовый дисплей для лестницы и перекладины радиус до 0,6.
      5. Дополнительно: Перейдите к шагу 1.3.3 ввести структуры поддержки.
   2. Генерация 3D-печати "поверхность" представление молекулы
      Примечание: Более подробную информацию можно найти в приложении 1.2.2.
      1. Скрыть все предыдущие представления. Используйте Действия> Атомы / Облигации> Скрыть, и действия> Ленты>скрывать.
      2. При визуализации атомов как сферы, регулировать радиус, выбрав нужный атом (ы) и собирается Действия> меню Проверить.
         Примечание: Изменение атомный радиус по умолчанию может сделать его легче различать разные типы атомов в печатной модели.
      3. Скрыть все отображаемые ленты, атомы, облигации и pseudobonds с помощью Действия> Atoms / Облигации> Скрыть и Действия> Ленты> Скрыть.
      4. Если поверхность деталь желательно, добавить атомы водорода, таким образом, что вычисление поверхности является более точным. Используйте инструменты> Структура Редактирование> ADDH.
      5. Создайте поверхность, введя для серфинга # 0 сетки 0.5 в командной строке.
   3. Генерация 3D-печати представление в "атомов / облигаций."
      Примечание: Более подробную информацию можно найти в приложении 1.2.3.
      1. Скрыть растворитель. использованиеВыберите> Структура> растворителя , а затем Действия> Атомы / скреплений> Скрыть.
      2. Отображение конкретных остатков и / или лигандов в представлении в виде атомов и связей путем выбора и показывая их действия> Atoms /> Облигации шоу. Образом представлены атомы могут быть изменены в Действия> Atoms / Облигации выпадающего меню, выбрав палку, мяч & палку, или сферу.
      3. После того, как сделать выбор, увеличить радиус палки или шара и придерживаться представления с действиями> меню Проверить.
      4. Дополнительно: Перейдите к шагу 1.3.4 ввести структуры поддержки.
4. Добавление структурной поддержки в 3D-печати представления
   Примечание: Более подробную информацию можно найти в дополнениях 1.2.4 и 1.2.5. На данном этапе, распорки могут быть добавлены к 3D-модели, Рекомендуется для альфа-спиралей и бета-листов вторичных структур включают магистральные водородные связи для стабильности, хотя небольшие белки (например, менее 50 остатков) часто представляются в виде ленты с типичной толщиной и может печатать хорошо без такой поддержки. Тем не менее, для более крупных белков, даже с добавлением водородных связей, многие модели ленты все еще слишком тонкий, чтобы быть успешно напечатано. Подкосы физические соединения в модели, которые не отражают молекулярную свойства, но добавляют к механической прочности, что облегчает печать и обработку. Химера предлагает быстрый способ для автоматического добавления распорки к модели с помощью команды распорки с помощью командной строки, а также отдельные распорки также могут отображаться вручную с помощью инструмента расстояния.
   1. Дисплей водородные связи с получением печати крепкий. С помощью меню Сервис> Структура Анализ> FindHBond.
   2. Используйте инструменты> Общие продРОЛС> PseudoBond панель для изменения водородных связей. Выберите "водородных связей" pseudobonds, нажмите кнопку атрибуты и установите флажок "Свойства компонентов PseudoBond" коробка. В нижней панели, изменить стиль с ненасыщенными связями провода к прилипанию и значение радиуса от 0,2 до 0,6.
   3. Дополнительно: Добавить структуру поддержки (ы), или «распорки» , используя команду распорок. Чтобы создать голубые распорки с радиусом 1,0 Å в углеродном альфа каждые 70 остатков не дальше , чем 8 Å друг от друга, используйте команду: распорки @ca Длина 8 Петля 70 Цвет синий Rad 1.0 fattenRibbon ложной.
   4. Необязательно: Чтобы создать отдельные стойки с помощью инструмента расстояния, выберите два атома от сдвига-Ctrl-щелчок на каждом из них, используйте Сервис> Структура Analysis> Расстояния и нажмите кнопку Создать , чтобы добавить pseudobond. NAVIGATе к PseudoBond панели, выберите "расстояние" монитор pseudobonds, нажмите кнопку атрибуты, и установите флажок "Свойства компонентов PseudoBond" коробка. В нижней панели, изменить стиль с ненасыщенными связями провода к прилипанию и значение радиуса от 0,2 до 0,01.
   5. Экспорт рендеринга химеры как 3D модели файла STL
      1. После того , как искомое представление было получено, используйте Файл> Экспорт сцены экспортировать 3D - файл. Выберите STL в качестве типа файла и имя и сохраните модель. Примечание: Этот файл STL может быть восстановлен, ориентированный, и печатается как описано в разделе 2 протокола.

2. Процесс STL файлов для печати

1. Ремонт STL файлов с Autodesk Netfabb
   Примечание: Модель может потребоваться ремонт, когда он содержит множество перекрывающихся частей с интеrsecting геометрии, которые, как правило, в случае с моделями ленточных и атомных моделей. Перекрытие геометрии может привести к ошибкам при чтении файла каким-то нарезания программного обеспечения, а пересекающиеся области могут быть интерпретированы как внешность модели. Более подробную информацию можно найти в приложении 2.1.
   1. Загрузите и установите стандартную версию программного обеспечения.
   2. Откройте программу и импортировать файл STL в ремонте. Если есть проблемы с сеткой, на экране появится предупреждающий знак.
   3. Используйте Дополнительно> Автоматическое ремонт части, выберите расширенное восстановление, и ждать , пока файл обрабатывается; для небольших моделей, это займет секунды, но для больших моделей, это может занять несколько минут.
   4. Щелкните правой кнопкой мыши на модели и выберите Экспортировать часть> Как STL или использовать Project> Экспортировать проект , как STL , чтобы сохранить восстановленную модель; программа добавит "отремонтировали" кимя файла, чтобы отличить его от исходного файла.
2. Orient модели для печати с помощью Autodesk Meshmixer
   Примечание: Оптимальная ориентация модели перед нарезку уменьшит количество свесами и, следовательно, количество опор, требуемых в процессе печати. Оптимально ориентированная модель будет печатать быстрее, использовать меньше материала, и менее вероятно, потерпит неудачу во время печати. Более подробную информацию можно найти в приложении 2.2.
   1. Скачать и установить программное обеспечение
   2. Импорт отремонтированного файл STL в программу.
   3. Выберите Анализ> Ориентация.
   4. Отрегулируйте значение веса Силы до 100, значение поддержки Vol Вес 0, Зона поддержки Вес до 0, а затем обновить модель. Это будет вращать модель, чтобы минимизировать количество свесами. Принимать полученную ориентацию.
   5. Используйте Файл> Экспорт и выберите двоичный файл STL из выпадающего меню. Сохраните файл,

3. Нарезка и печать

1. Выберите материал нити
   Примечание: Выбор печатного материала должно быть сделано, прежде чем использовать программное обеспечение для нарезки, так как параметры печати будут отличаться для выбранного материала. Три материалов, которые широко используются полимолочной кислоты (ПМК), термопластичные эластомеры (ТПЭ) и акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС). ПЛА, как правило, является наиболее эффективным материалом для печати детальных молекулярных моделей, поскольку он охлаждается быстро, хорошо прилипает к строительной плите, и редко перекосов. ТПЭ представляет собой материал, сходный с PLA и могут быть использованы для производства гибких моделей. Рекомендуется для дополнительных моделей поверхности белка или моделей белка ленты. ABS сильнее и более гибким , чем PLA, но он производит потенциально опасные твердые частицы во время печати ^12. Это, как правило, не рекомендуется для печати молекулярных моделей, так как более высокие результаты температуры материала в ЛезS точное производство небольших функций. Более подробную информацию можно найти в приложении 3.1.
   1. Печать с полимолочной кислоты (PLA).
      1. Установите температуру сопла до 210 ° C. Для обеспечения адгезии части к слою, установите температуру слоя до 70 ° C. При использовании без подогрева кровати, покрыть ее лентой живописцев. Использование активного охлаждения.
   2. Печать с использованием термопластичных эластомеров (ТПЭ)
      1. Повторите шаг 3.1.1.1. Установите скорость печати до 1200 мм / мин или менее.
   3. Печать с акрилонитрил-бутадиен-стирола (ABS)
      1. Не используйте охлаждение. Установите температуру сопла до 240 ° С. Для обеспечения адгезии части к слою, установите температуру слоя до 110 ° C.
2. Генерация G-кода
   Примечание: Модель будет импортирована в 10 миллионов раз увеличение по умолчанию. Модели ленты должна быть расширена до 20 миллионов раз (200%) или больше. Поверхностные модели PRИНТ также на 100% или больше. Более подробную информацию можно найти в приложении 3.2.
   1. Загрузите и установите программное обеспечение для печати нарезки.
   2. С помощью File> Import Model и выберите ремонтируемый и ориентированный файл STL.
   3. Масштаб модели с помощью двойного щелчка на модели и введя коэффициент масштабирования в окне на правой стороне экрана.
   4. Создавать структуры поддержки для модели. Выберите значок поддержки и использовать обычные носители, с разрешением стойки 1 и максимальный угол свеса 50 °.
   5. Нажмите генерировать все опоры. Добавление или удаление функции поддержки структуры для настройки размещения поддержки.
   6. Выберите процесс и нажмите кнопку Изменить параметры процесса.
   7. Настройка профиля для принтера и материала, который используется.
      Примечание: Плот и доверху должны быть включены, и модели ленты должны быть напечатаны на 100% заполнения. Подробные настройки профиля можно найти в supplemeнт 3.2.
   8. Преобразование модели в G-файл кода, который может быть считан принтером. Нажмите кнопку "подготовить к печати" кнопку и выбрать процесс , содержащий профиль принтера / материала. Обратите внимание на путь сопла принтера и проверьте его на наличие ошибок, которые могут привести к печати на неудачу.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Ошибки, которые могут привести к сбою печати включают в себя отсутствие опор под свесами, нежелательных полостей, недостающих слоев или областей, которые являются слишком тонкими для печати.
   9. Сохраните файл G-кода на рабочем столе или непосредственно на SD-карту.
3. Управление принтером
   Примечание: Каждый принтер или сделать модель является уникальной, и ее подготовка и калибровка для печати будет меняться соответственно. Обратитесь к руководству для принтера.
   1. Убедитесь в том, что рабочая станция подключена к принтеру или что SD-карта с GCode в принтере.
   2. Подготовка принтера путем загрузки нити и обеспечения того, чтобы кровать уровня;Инструкции по этим процедурам, обратитесь к руководству пользователя принтера.
   3. Запуск печати с компьютера или локально из SD карты через меню принтера.
   4. Смотрите печать, пока первый слой не был успешно завершен. Если есть какие-либо ошибки в первом слое, прервать и перезапустить печать.

4. Пост-продакшн Обработка

Примечание: Уход конечно должны быть приняты в этом, окончательный, этап. Несущие конструкции на модели должны быть удалены. Как правило, это делается вручную, хотя альтернативные подходы, такие как использование растворимой поддержки, могут быть использованы; Дополнение 4 см.

1. Отделите печать из сборки пластины, осторожно потянув ее в сторону. Если плот сильно прилипает к пластине сборки, отделить его, вставив острый край между ними.
2. Удалите опорные конструкции из модели. Многие носители могут быть удалены вручную, разбив их на части и рафутов. Гибкие модели можно отсоединить, потянув их от части. Для опор, которые трудно достичь или подключены к деликатных структур, используют кусачки, чтобы обрезать точку, где носитель подключается к части.

Результаты

Стабильные и информативный 3D версия для печати модели биомолекул могут быть получены путем: (I) загустители облигаций для обеспечения стабильности, (II) тщательно подбирая вторичный тип структуры представительства или стиль , который обеспечивал бы наибольшую понимание и стабильность, (III) печать биомолекулы в более одного молекулярного представления, (IV) с использованием нити , которая будет оказывать все или часть биомолекулы гибкой, или (v) генерации сложного узла , который имеет модульную структуру (т.е. в соединяемых штук).

Чтобы проиллюстрировать, как печатать такие информативные и устойчивые модели, мы сосредоточились на компонентах хроматина и на производстве гипотетическую модель хроматина. Хроматина является очень сложной сборки белок-ДНК. Фундаментальная белковую субъединицу хроматина является гистонов белка. Существуют четыре гистоновых белков, каждый из которых состоит из спирали-loop-спиралью (а "гистона складка") с последующей расширенной альфа-спирали, и второй "гистона складки." Структура белка - гистона могут быть легко получены с помощью "ленты" представление (фиг.3А). В качестве альтернативы, структура белка - гистона может отображаться с использованием только его поверхность (фигура 3В). Есть две копии каждого из четырех гистоновых белков, которые собираются, чтобы сформировать сферическую гистонов октамером. Гистонов октамер слишком велик, чтобы напечатать полностью в виде ленты или палку представления, из-за большего масштаба, в котором должны быть напечатаны эти функции. Таким образом, такой крупный белок , сборка лучше всего отображается с использованием представления поверхности (фиг.3С). ДНК будет наметить путь вокруг гистона октамером с образованием нуклеосом ядро ​​частицы 10 нм диаметра. Путь ДНК может быть наилучшим образом отображается печать двух отдельных моделей и с использованием гибкой нити для ДНК (рис 3D). Нуклеосомы частицы ядра стекадруг на друга, чтобы сформировать сборку более высокого порядка, 30 нм диаметра "волокна" Левша suprahelical структуру. Чтобы лучше проиллюстрировать , как нуклеосомнои частицы ядра 10-нм может складывают , чтобы сформировать 30-нм хроматина сборки, печати отдельные "ди-нуклеосом" частицы (рис 3e) , а затем складывать их после печати (рисунок 3F).

После того, как освоена описано единственная поверхность экструзии и ленты рабочего процесса выше, исследовать делает ряд атомных, молекулярных и композитных моделей, как показано на рисунке 4. Например, объединить поверхности и ленты представления , чтобы отделить различные части комплекса (см ДНК - полимеразы, фиг.4В). Сделать более поучительные и привлекательные модели с помощью двойного принтера экструзии , который может расплавить две нити одновременно в один 3D - объекта (см рисунок 4C). В качестве альтернативы, краски части моделей (см гуаньине и альфа - спиралью, рисунок 4А). Печать и собрать субъединиц белкового комплекса, как натриевый канал, или взять его еще дальше, печать отдельных частей комплекса и сборка их позже в более крупную, многоцветной модели (см комплексы ВИЧ-антитела и рибосом, рис 4С). Такие композиционные модели лучше способны показать функциональные возможности по сравнению с отпечатками одной нити накала. Различные цвета могут выделить, например, гликозилирование по сравнению с белком (модель ВИЧ) или РНК по сравнению с белком (см рибосом модель, рис 4в). Они также позволяют создавать образовательных 3D головоломок, как привязка к поверхности ВИЧ - антитела (см связаны gp120 антитела, фиг.4С), где только одна конфигурация 3D дает плотное прилегание обеих частей. Инструкции по печати этих моделей можно найти в приложении 5. Кроме того, мы предусмотрели дополнительное видео иллюстрирующие построение 3D модели-гое Fo / F1 протонной АТФ-синтазы, который был отпечатан на куски и собраны таким образом, чтобы он мог резюмировать поворотный механизм, который происходит во время этого ферменты каталитический механизм.

Рисунок 1. Рабочий процесс для подготовки и печати 3D - модели. Иллюстрированные этапы в производстве физической 3D биомолекулярной печати: (I) подготовку модели, в том числе выбор представления; (II) открытие сохраненного файла .stl модели и обработки файла с использованием программного обеспечения для нарезки; (III) печать модели и выборе материала или нити; и , наконец, (IV) выполнение пост-производственные этапы.Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 2. визуальными различных представлений моделей на различных этапах подготовки. Верхний ряд: Общие представления двух моделей (убиквитина (PDB 1UBQ) и аргинином) визуализировали с использованием программы химеры. Средний ряд: Печать Траектория генерируется из моделей Химеры STL, окрашено типа особенность убиквитиновой и аргинином (оранжевый: филенки шаблон, темно - синий: внешняя оболочка, светло - голубой: внутренняя оболочка). Нижний ряд: Окончательные отпечатки убиквитина и аргинином. Поверхностные и две ленты модели убиквитина напечатанный на 300% от Химеры выхода СТЛ по умолчанию (по умолчанию Химера составляет 1 нм в модели и 1 см в печати), в то время как модель аргинином Wкак напечатано на 1000%. По умолчанию используется лента или палка модели химеры слишком тонкие, чтобы напечатать правильно, но утолщенные версии будут печатать надежно. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3. Исследование нуклеосома случай. (A) Single-гистона H3 белка оказывают утолщения "ленточки" печатается на 300%. (B) гистона H3 белок "поверхность" представление, напечатанный на 200%. (С) белка - гистона октамер напечатанный на 100%. (D) гистонов белка октамер (оранжевый) в комплексе с гибкой ДНК (белый) , напечатанный на 100%. Модель поверхности (Е) Dinucleosome печататься с радиусом зонда по умолчанию и печатается в масштабе 100%. (Е) мОдел хроматина "30-нм волокна", созданный вручную штабелирования индивидуально отпечатанные моделей "10-нм" dinucleosome, где поверхность было вынесено с радиусом зонда 3 Å, напечатанной на 50% и 25% размеров, а также провел вместе с Play-Doh. 3D отпечатки были получены из модели dinucleosome (PDB 1ZBB). Все модели свободно доступны для загрузки на NIH 3D печати бирже ^11. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4. Примеры 3D-моделей печатных производится с использованием принтеров накаливания. (A) слева, модель мяч и пряника молекул воды в гексагональных кристаллов льда (печать с двумя нитями накала). Средний, модель нуклеотида (гуанин). Право, белок альфа-ч Эликс-магистральная только модель, показывающая водородные связи (черный). Гуанин и альфа-спиралью были окрашены вручную с Sharpies. (B) , левый, натриевый канал, состоящий из 4 - субъединицы , которые можно соединить вместе (PDB 3E89). Средний, малярийного плазмодия L-лактатдегидрогеназы (PDB 1T2D) печатаются как ленты. Право, модель активного сайта ДНК-полимеразы (PDB 1KLN), показывая ДНК в качестве поверхности и белка в виде лент. (C) Левый, ВИЧ липидный конверт с гликопротеина (PDB 5FUU) связаны антителами (PDB 1IGT), напечатанные на 15%. Средний, деталь гликопротеин поверхности антигена на 150%, с вариабельной областью антитела, показанной в виде лент (PDB 5FYJ). Справа, модели бактериальной 70S рибосомы (PDB 4V5D) на 40% и 20%. Проценты относятся к стандартной продукции Химеры, где 100% означает 1 нм в молекуле принтами 1 мм. Все модели свободно доступны для загрузки на NIH 3D печати бирже ^11.OAD / 55427 / 55427fig4large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Обсуждение

Физические 3D модели биомолекул обеспечивают мощный дополнение к наиболее распространенных компьютерных методов визуализации. Дополнительные свойства физического 3D представления способствуют интуитивному пониманию биомолекулярной структуры. Построение физических 3D модели биомолекул может облегчить их исследование путем использования среды, что дает возможность использовать преимущества хорошо развитых режимов ощущения человека. 3D модели служат не только в качестве вспомогательного средства для исследователя, но может быть использован для облегчения педагогической деятельности и может повысить достижение результатов обучения ^{13, 14, 15.} Магниты могут быть добавлены к пластиковым моделям , чтобы для монтажа и демонтажа, как показано с моделью полипептидов ^16. Кроме того , 3D-объектов печати могут быть использованы в исследованиях, как в производстве лабораторного оборудования ^17, а также , чтобы сделать microfluidic устройства для ячеек ¹⁸ и моделей кристаллов ¹⁹ или ²⁰ нейронов. Манипуляции физических моделей может служить для продвижения совместных дискуссий, которые могут вдохновить на новые идеи.

Новейшие разработки в области технологий печати 3D и снижение стоимости принтеров позволяет создавать сложные, физические 3D модели биомолекул отдельным пользователем. Хотя FFF технология печати является более распространенным и менее дорогим, чем другие методы, он создает ряд ограничений. Процесс 3D печати занимает много времени, и происходят механические повреждения. FFF принтеры обычно могут печатать только один материал на части, ограничивая отображение информации о цвете. Разрешение моделей, сделанных на FFF принтеров является низким, около 100 мкм на слой. Мы советуем читателю работать с этими ограничениями и разработать подход для их принтера и биомолекул (ы), представляющих интерес. Мы представили процеГСЭС необходимые для пользователя, чтобы разработать собственное 3D представление их интересов биомолекулы, которая является точной, информативным и печати. Как и с любой новой технологией, часто "болезнь роста", которые должны быть преодолены в процессе его использования. Приведем несколько примеров, в которых могут возникнуть проблемы в процессе 3D биомолекул печати (см Дополнение 6).

Наконец, в этой статье, это наша цель, чтобы способствовать росту сообщества пользователей, участвующих в 3D печати биомолекул. Важно отметить, что NIH создала базу данных для общественности , чтобы совместно использовать 3D - модели и методы , используемые для их печати ^10. Мы настоятельно рекомендуем участие в этом уникальном ресурсе (см Дополнение 7 для получения инструкций о том, как загрузить 3D-модели печати и справочную информацию в NIH 3D печати биржи).

Материалы

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