Name: 3d printing of biomolecular models for research and pedagogy
Uploaded: 2017-03-13T14:00:00
Duration: 9 min 17 s
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The authors are grateful for the support of Deis3D, the Brandeis 3D Printing Club, and members of Brandeis Library/LTS/Makerlab. This work was funded in part by a grant awarded to Pomeranz Krummel by the NSF, Award No. 1157892; an ESIT grant of the BMBF, awarded to the University of T&#252;bingen; and US Federal funds from the National Institutes of Health, Department of Health and Human Services, under Contract No. GS35F0373X. Molecular graphics and analyses were performed with the UCSF Chimera package. Chimera was developed by the Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics at the University of California, San Francisco (supported by NIGMS P41-GM103311).

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The authors have nothing to disclose.

modèles 3D physiques de biomolécules offrent un puissant complément aux méthodes sur ordinateur les plus courants de visualisation. Les propriétés supplémentaires d&#39;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&#39;utilisation d&#39;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&#39; 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&#39;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&#39;impression FFF est plus fréquent et moins coûteux que d&#39;autres méthodes, il pose un certain nombre de limitations. Le processus d&#39;impression 3D prend du temps, et les défaillances mécaniques ne se produisent. imprimantes FFF ne peuvent généralement imprimer un matériau par partie, limitant l&#39;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&#39;intérêt. Nous avons présenté le processes nécessaires à un utilisateur de développer une représentation 3D personnalisé de leur biomolécules d&#39;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&#39;impression 3D (voir supplément 6). Enfin, à travers cet article, il est notre objectif de contribuer à la croissance d&#39;une communauté d&#39;utilisateurs engagés dans l&#39;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&#39;échange Imprimer NIH 3D).

Une compréhension approfondie de la fonction et l&#39;activité d&#39;une biomolécule nécessite la détermination de ses trois dimensions (3D) structure. Ceci est couramment réalisé à l&#39;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&#39;ils représentent 1. Historiquement, la construction de modèles physiques en 3D était nécessaire pour les enquêteurs de valider, d&#39;explorer et de communiquer les hypothèses résultant en ce qui concerne la fonction de biomolécules. Ces modèles, tels que la double hélice de l&#39; ADN de Watson-Crick et l&#39; alpha de l&#39; hélice de Pauling, ont donné un aperçu unique sur les relations structure-fonction et étaient essentiels à notre compréhension précoce de l&#39; acide nucléique et la protéine structure-fonction 2, 3, 4. Bien que les complexes de protéines et d&#39;acides nucléiques modèles peuvent être créés, lele temps et le coût de la construction d&#39;un modèle physique a finalement été compensés par la relative facilité de visualisation moléculaire assistée par ordinateur. Le développement de l&#39; impression 3D, également connu comme additif de fabrication, a de nouveau permis la construction de modèles physiques de biomolécules 5. L&#39;impression 3D est le processus de fabrication, un objet physique en 3D à partir d&#39;un fichier numérique à travers l&#39;addition séquentielle de couches d&#39;un matériau (s). Différents mécanismes sont utilisés dans ce processus. Jusqu&#39;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&#39;impression 3D, fusionnée filament fabrication (FFF) , en particulier, a progressé de manière significative, le rendant accessible pour l&#39; 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&#39;accessibilité de la technologie d&#39;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&#39;impression des biomolécules individuelles et des assemblages macromoléculaires pose plusieurs défis, en particulier lors de l&#39;utilisation des procédés d&#39;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&#39;imprimante 3D. Le flux de travail 3D pour l&#39;impression d&#39;une biomolécule large se produit en quatre étapes: (1) la préparation d&#39;un modèle biomoléculaire de son fichier de coordonnées pour l&#39;impression 3D;(2) d&#39;importer le modèle biomoléculaire dans un logiciel «tranchage» pour segmenter le modèle de l&#39;imprimante et de générer une structure de soutien qui physiquement soutenir le modèle biomoléculaire; (3) sélectionner le bon filament et l&#39;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&#39;utilisateur peut construire des renforts de modèle sous la forme d&#39;entretoises, ainsi que de retirer des structures qui sont étrangères à ce que l&#39;utilisateur choisit d&#39;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&#39;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&#39;utilisateurs qui ont accès à des imprimantes, mais les technologies FFF d&#39;impression 3D ne plus coûteux. Ici, nous fournissons un guide pour l&#39;impression 3D de biomolécules à partir de données moléculaires en 3D, avec des méthodes qui sont optimisées pour l&#39;impression FFF. Nous détaillons comment maximiser l&#39;imprimabilité des structures biomoléculaires complexes et assurer simple post-traitement des modèles physiques. Les propriétés de plusieurs matériaux d&#39;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&#39;exemples de modèles biomoléculaires 3D imprimés qui démontrent l&#39;utilisation de différentes représentations moléculaires.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Filament</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PLA 3D Printing Filament (1.0 kg Roll)</td>
			<td>Quantum3D Printing</td>
			<td>http://quantum3dprinting.com/</td>
			<td>Very good quality PLA filament, strongly recomended</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NinjaFlex Flexible 3D Printing Filament</td>
			<td>Ninjatek</td>
			<td>https://ninjatek.com/</td>
			<td>High quality flexible filament</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PLA Filaments PrimaValue &#38; PrimaSelect</td>
			<td>3DPrima</td>
			<td>http://3dprima.com/</td>
			<td>High quality European supplier of filament</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Printers</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Prusa I3 MK2 3D Printer</td>
			<td>Prusa Research</td>
			<td>http://www.prusa3d.com/</td>
			<td>A popular 3D printer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MakerGear M2 Revision E (M2e)</td>
			<td>MakerGear</td>
			<td>http://www.makergear.com/</td>
			<td>Closed source, very high quality printer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultimaker 2</td>
			<td>Ultimaker</td>
			<td>https://ultimaker.com/</td>
			<td>Very reliable, easy to use printer, highest rating on 3Dhubs.com</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flashforge Creator Pro</td>
			<td>Flashforge</td>
			<td>http://www.flashforge-usa.com</td>
			<td>Reliable, dual extrusion printer, highest rating on 3Dhubs.com</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Simplify3D Slicer</td>
			<td>Simplify3D</td>
			<td>https://www.simplify3d.com/</td>
			<td>Excellent slicing software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Netfabb</td>
			<td>Autodesk</td>
			<td>http://www.autodesk.com/education/free-software/netfabb</td>
			<td>Mesh repair software, available free of cost for educational purposes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chimera</td>
			<td>University of California, San Francisco</td>
			<td>https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/</td>
			<td>Chimera molecular vizualizer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Meshmixer</td>
			<td>Autodesk</td>
			<td>http://www.meshmixer.com/</td>
			<td>Used for orienting models, but has other features</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

3d printing of biomolecular models for research and pedagogy

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.

Modèles imprimables 3D stables et informatifs de biomolécules peuvent être préparés par: (i) les obligations d&#39;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&#39; impression de la biomolécule dans plus d&#39;une représentation moléculaire, (iv) en utilisant un filament qui rend tout ou partie d&#39;une biomolécule flexible, ou (v) la génération d&#39; 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&#39;un modèle hypothétique de la chromatine. La chromatine est un ensemble de protéines d&#39;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&#39;une hélice-loop hélice (un «pli histone») suivie d&#39;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&#39;histone globulaire. Le octamère d&#39;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&#39;octamère d&#39;histones pour former un 10 nm de diamètre noyau nucléosome particules. Le chemin de l&#39; ADN peut être mieux affiché en imprimant deux modèles distincts et en utilisant un filament flexible pour l&#39;ADN (Figure 3D). particules de noyau nucléosome pileles uns sur les autres pour former un ensemble d&#39;ordre supérieur, une &quot;fibre&quot; 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&#39; impression individuels particules &quot;di-nucléosome» (Figure 3E), puis les empiler après l&#39; impression (Figure 3F). Une fois maîtrisé la surface d&#39;extrusion et le ruban flux de travail unique décrit ci - dessus, d&#39; 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&#39;un complexe (voir l&#39; 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&#39;hélice alpha, figure 4A). Imprimer et assembler les sous - unités d&#39;un complexe de protéines, comme le canal de sodium, ou de prendre encore plus loin en imprimant parties distinctes d&#39;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&#39; 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&#39;anticorps à la surface du VIH (voir gp120 liée par l&#39; anticorps, la figure 4C), où une seule configuration 3D donne un ajustement serré des deux parties. Instructions sur l&#39;impression de ces modèles peuvent être trouvés dans le supplément 5. En outre, nous avons fourni une vidéo supplémentaire illustrant la construction d&#39;un modèle 3D de ee Fo / F1 protons de l&#39;ATP synthase qui a été imprimé en morceaux et assemblés de telle manière afin qu&#39;il puisse récapituler le mécanisme de rotation qui se produit au cours de ce mécanisme catalytique des enzymes. <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig1.jpg" /> Figure 1. Flux de travail pour préparer et imprimer un modèle 3D. Illustrés sont les étapes de la production d&#39; une impression physique 3D biomoléculaire: (i) la préparation du modèle, y compris la sélection de la représentation; (Ii) l&#39; ouverture d&#39; un fichier .stl sauvé du modèle et le traitement du fichier en utilisant le logiciel de tranchage; (Iii) l&#39; impression du modèle et le choix du matériau ou de filament; et enfin, (iv) la réalisation des étapes de post-production.<a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig1large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig2.jpg" /> 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&#39;aide du programme Chimera. Rangée du milieu: Le parcours d&#39;impression généré à partir des modèles STL Chimera, coloré par le type de l&#39; ubiquitine et de l&#39; arginine caractéristique (orange: motif de remplissage; bleu foncé: coque extérieure; bleu clair: intérieure shell). Rangée du bas: impressions finales de l&#39; ubiquitine et de l&#39; 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&#39;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. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig2large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="figure 3" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig3.jpg" /> Figure 3. Etude de cas nucléosomes. (A) de la protéine H3 simple histone rendu par épaississement &quot;rubans&quot; , imprimé à 300%. (B) Histone H3 protéine de représentation &quot;de surface&quot;, imprimé à 200%. (C) protéine Histone octamère imprimé à 100%. (D) protéine Histone octamère (orange) dans un complexe avec l&#39; ADN flexible (blanc) imprimé à 100%. Modèle de surface (E) Dinucleosome imprimé avec un rayon de la sonde par défaut et imprimé à l&#39; échelle 100%. (F) un model de la chromatine &quot;fibre 30 nm&quot; créée par l&#39;empilement manuellement des modèles imprimés individuellement de la dinucleosome &quot;10 nm&quot;, 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&#39;un modèle de la dinucleosome (PDB 1ZBB). Tous les modèles sont disponibles gratuitement en téléchargement sur le NIH 3D Print échange 11. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig3large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig4.jpg" /> 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&#39;eau dans les cristaux de glace hexagonaux (double filament impression). Moyen, le modèle d&#39;un nucléotide (guanine). A droite, une protéine alpha h<html> elix backbone seul modèle montrant des liaisons hydrogène (noir). Guanine et l&#39;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&#39;ADN polymerase (APB 1KLN), montrant que l&#39;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&#39;antigène de la glycoprotéine à 150%, avec la région variable de l&#39;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 &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy

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