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).

<ol>
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The authors have nothing to disclose.

modelli 3D fisici di biomolecole forniscono un potente complemento ai metodi basati su computer più comuni di visualizzazione. Le proprietà aggiuntive di una rappresentazione 3D fisica contribuiscono alla comprensione intuitiva della struttura biomolecolare. La costruzione di modelli fisici 3D di biomolecole può facilitare il loro studio attraverso l&#39;uso di un mezzo che sfrutta modalità ben sviluppati della sensazione umana. Modelli 3D servono non solo come un aiuto per il ricercatore, ma possono essere utilizzati per facilitare le attività pedagogiche e può aumentare il raggiungimento di risultati dell&#39;apprendimento 13, 14, 15. I magneti possono essere aggiunti ai modelli di plastica per consentire il montaggio e lo smontaggio, come illustrato con un modello di polipeptidi 16. Inoltre, oggetti 3D-stampata possono essere utilizzati nella ricerca, sia nella produzione di attrezzature di laboratorio 17, così da rendere microfldispositivi uidic per celle 18 e modelli di cristalli di 19 o neuroni 20. La manipolazione di modelli fisici può servire a promuovere le discussioni di collaborazione che possono ispirare nuove intuizioni. I recenti sviluppi nelle tecnologie di stampa 3D e riduzioni del costo delle stampanti consente la creazione di modelli complessi, fisici 3D di biomolecole da parte di un singolo utente. Sebbene tecnologia di stampa FFF è più comune e meno costoso rispetto ad altri metodi, pone una serie di limitazioni. Il processo di stampa 3D è in termini di tempo, e non si verificano guasti meccanici. stampanti FFF solito può stampare un solo materiale per parte, limitando la visualizzazione delle informazioni sul colore. La risoluzione di modelli realizzati su stampanti FFF è bassa, circa 100 micron per strato. Si consiglia al lettore di lavorare con questi limiti e di sviluppare un approccio per la loro stampante e biomolecole (s) di interesse. Abbiamo presentato il proceSSES necessarie per un utente di sviluppare una rappresentazione 3D personalizzato del loro biomolecole di interesse che è accurata, informativo, e stampabile. Come per ogni nuova tecnologia, ci sono spesso &quot;dolori della crescita&quot; che devono essere superate durante il suo utilizzo. Forniamo diversi esempi in cui possono incontrare problemi nel processo di biomolecole di stampa 3D (vedi allegato 6). Infine, attraverso questo articolo, è il nostro obiettivo di contribuire alla crescita di una comunità di utenti impegnati nella stampa 3D di biomolecole. È importante sottolineare che il NIH ha stabilito una base di dati per il pubblico per condividere modelli 3D ei metodi utilizzati per stamparli 10. Incoraggiamo fortemente la partecipazione a questa risorsa unica (vedi allegato 7 per le istruzioni su come caricare un modello 3D di stampa e informazioni di base per la stampa scambio NIH 3D).

Una comprensione completa della funzione e l&#39;attività di una biomolecola richiede la determinazione della sua struttura tridimensionale (3D). Ciò si ottiene normalmente mediante cristallografia a raggi X, NMR, o microscopia elettronica. Strutture 3D possono essere comprese attraverso la percezione di modelli o oggetti accurati assomigliano le strutture che rappresentano 1. Storicamente, la costruzione di modelli 3D fisici era necessario per gli investigatori per convalidare, esplorare e comunicare le ipotesi derivanti per quanto riguarda la funzione di biomolecole. Questi modelli, come il DNA a doppia elica di Watson-Crick e alfa elica di Pauling, a condizione visione unica relazioni struttura-funzione e sono stati fondamentale per la nostra comprensione precoce di acidi nucleici e proteine struttura-funzione 2, 3, 4. Sebbene i modelli di acido nucleico proteine ​​complesse e possono essere creati, latempo e costo di costruzione di un modello fisico è stato finalmente superato dalla relativa facilità di visualizzazione molecolare assistita dal computer. Lo sviluppo della stampa 3D, noto anche come additivo di fabbricazione, ha nuovamente permesso la realizzazione di modelli fisici di biomolecole 5. stampa 3D è il processo di fabbricazione di un oggetto fisico 3D da un file digitale attraverso l&#39;aggiunta sequenziale di strati di un materiale (s). Una varietà di meccanismi sono utilizzati in questo processo. Fino a poco tempo, le macchine utilizzate per la produzione di modelli fisici di biomolecole erano troppo costosi per essere ampiamente utilizzato. Tuttavia, negli ultimi dieci anni, la tecnologia di stampa 3D, fuso filamento fabbricazione (FFF), in particolare, ha avanzato in maniera significativa, rendendolo accessibile ad uso dei consumatori 6. stampanti FFF sono ora comunemente disponibili nelle scuole, biblioteche, università e laboratori. La maggiore accessibilità e l&#39;accessibilità della tecnologia di stampa 3Dha permesso di convertire modelli 3D digitali in biomolecolari accurati, fisici modelli biomolecolari 3D 7, 8, 9. Tali modelli comprendono non solo rappresentazioni semplici di singole biomolecole, ma anche complessi macromolecolari complesse, quali le strutture del capside ribosoma e virus. Tuttavia, il processo di stampa di singole biomolecole e assiemi macromolecolari pone diversi problemi, specialmente quando si utilizzano metodi di estrusione termoplastici. In particolare, le rappresentazioni di biomolecole hanno spesso geometrie complesse che sono difficili per le stampanti di produrre, e la creazione e l&#39;elaborazione di modelli digitali che verranno stampati con successo richiede abilità con modellistica molecolare, modellazione 3D e software di stampa 3D. Il flusso di lavoro 3D per la stampa di una biomolecola ampiamente avviene in quattro fasi: (1) preparare un modello biomolecolare dal suo file di coordinate per la stampa 3D;(2) di importare il modello biomolecolare in un software &quot;taglio&quot; per segmentare il modello per la stampante e per generare una struttura di supporto che fisicamente tenere in piedi il modello biomolecolare; (3) selezionando il filamento corretta e la stampa del modello 3D; e (4) fasi di lavorazione post-produzione, compresa la rimozione materiale di supporto dal modello (figure 1 e 2). Il primo passo in questo processo, computazionalmente manipolare il file coordinate del biomolecole, è critica. A questo punto, l&#39;utente può costruire rinforzi modello in forma di puntoni, nonché rimuovere strutture che sono estranei a ciò che l&#39;utente sceglie di visualizzare. Inoltre, la scelta della rappresentazione viene effettuata in questa fase: se visualizzare tutta o parte della biomolecola come rappresentazione di superficie, nastri e / o singoli atomi. Una volta che le aggiunte e / o sottrazioni di contenuti necessari sono fatte e si seleziona la rappresentazione, la struttura viene salvato come mo 3Ddel file. Successivamente, il file viene aperto in un secondo programma software per convertire il modello in un file di stampa 3D che può essere stampato, strato per strato, in una replica di plastica della biomolecole. L&#39;obiettivo del nostro protocollo è quello di rendere la realizzazione di modelli molecolari accessibili al grande numero di utenti che hanno accesso alle stampanti FFF, ma non più costose tecnologie di stampa 3D. Qui, mettiamo a disposizione una guida per la stampa 3D di biomolecole da dati molecolari in 3D, con i metodi che sono ottimizzati per la stampa FFF. Noi dettaglio come massimizzare la stampabilità di strutture biomolecolari complessi e garantire la semplice post-elaborazione di modelli fisici. Le proprietà dei vari materiali per la stampa comune o filamenti sono confrontati, e raccomandazioni per il loro utilizzo per creare stampe flessibili sono forniti. Infine, vi presentiamo una serie di esempi di modelli biomolecolari 3D-stampati che illustrano l&#39;utilizzo di diverse rappresentazioni molecolari.

<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.

Modelli stampabili 3D stabili e informativi di biomolecole possono essere preparati da: (i) obbligazioni addensanti per fornire stabilità, (ii) selezionando con attenzione il tipo di rappresentazione struttura secondaria o di stile che avrebbe fornito la più grande intuizione e la stabilità, (iii) la stampa del biomolecole in più di una rappresentazione molecolare, (iv) utilizzando un filamento che renderà tutta o parte di una biomolecola flessibili, o (v) generare un insieme complesso che è modulare (cioè, in pezzi collegabili). Per illustrare come stampare tali modelli informativi e stabili, ci siamo concentrati sui componenti della cromatina e sulla produzione di un modello ipotetico di cromatina. Cromatina è un complesso proteina-DNA altamente complessa. La subunità proteina fondamentale della cromatina è la proteina istone. Ci sono quattro proteine ​​istoni, ciascuno costituito da un&#39;elica-loop elica (a &quot;istone piega&quot;) seguito da una alfa elica estesa e una seconda &quot;istone piega&quot;. Struttura delle proteine istone può essere facilmente ottenuto utilizzando una rappresentazione &quot;ribbon&quot; (Figura 3A). In alternativa, la struttura della proteina istone può essere visualizzato utilizzando solo la sua superficie (Figura 3B). Ci sono due copie di ciascuno dei quattro proteine ​​istoni, che assemblano per formare un ottamero istoni globulari. Il ottamero istoni è troppo grande per la stampa del tutto come una rappresentazione nastro o bastone, a causa della scala più ampia in cui devono essere stampati queste caratteristiche. Così, un tale complesso di proteine, è visualizzata migliore usando rappresentazione superficie (Figura 3C). DNA sarà tracciare un percorso intorno alla ottamero istoni a formare un 10 nm di diametro nucleo nucleosoma delle particelle. Il percorso di DNA può meglio essere visualizzate stampando due modelli separati e usando un filamento flessibile per il DNA (Figura 3D). particelle fondamentali nucleosomi impilanol&#39;una all&#39;altra a formare un assieme di ordine superiore, una &quot;fibra&quot; 30 nm di diametro una struttura suprahelical mancino. Per illustrare meglio come le particelle fondamentali nucleosoma 10-nm possono raggrupparsi per formare un 30-nm di assemblaggio della cromatina, stampa singole particelle &quot;di-nucleosoma&quot; (Figura 3E) e poi impilarli dopo la stampa (Figura 3F). Una volta masterizzato il singolo flusso superficiale estrusione e nastro sopra descritto, esplorare facendo una gamma di modelli atomici, molecolari, e compositi, come illustrato nella figura 4. Ad esempio, combinano superficie e nastro rappresentazioni di distinguono diverse parti di un complesso (vedi polimerasi DNA, Figura 4B). Rendere modelli più istruttivo e attraenti utilizzando una stampante a doppia estrusione che può fondere due filamenti contemporaneamente in un singolo oggetto 3D (vedi Figura 4C). In alternativa, le parti di vernice dei modelli (vedi guanine e l&#39;elica alfa, Figura 4A). Stampa e assemblare le subunità di un complesso proteico, come il canale del sodio, o togliere l&#39;ancora di più stampando parti distinte di un complesso e riunendole poi in una più grande, modello multi-colore (vedi i complessi di HIV-anticorpo e ribosomiale, Figura 4C). Tali modelli compositi sono meglio in grado di mostrare le caratteristiche funzionali rispetto alle stampe a singolo filamento. I colori differenti possono evidenziare, ad esempio, glicosilazione contro proteine (modello HIV) o RNA contro proteine (vedi modello ribosoma, Figura 4C). Essi consentono inoltre la creazione di puzzle 3D educativi, come il legame dell&#39;anticorpo alla superficie HIV (vedi gp120 vincolata da anticorpi, Figura 4C), in cui solo una configurazione 3D produce un aderente di entrambe le parti. Istruzioni su stampa di questi modelli possono essere trovati in supplemento 5. Inoltre, abbiamo fornito un video supplementare che illustra la costruzione di un modello 3D di the Fo / F1 protonica ATP sintasi stampato a pezzi e assemblati in modo in modo da poter ricapitolare il meccanismo rotante che si verifica durante questo enzimi meccanismo catalitico. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig1.jpg" /> Figura 1. Flusso di lavoro per preparare e stampare un modello 3D. Illustrati sono le tappe di produzione di una stampa fisico 3D biomolecolare: (i) la preparazione del modello, compresa la selezione della rappresentazione; (Ii) l&#39;apertura di un file STL salvato del modello e l&#39;elaborazione del file utilizzando il software di taglio; (Iii) la stampa del modello e la scelta del materiale o filo; e, infine, (iv) di eseguire la procedura di post-produzione.<a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig2.jpg" /> Figura 2. Visuals di diverse rappresentazioni di modelli in varie fasi della preparazione. Riga superiore: rappresentazioni comune di due modelli (ubiquitina (PPB 1UBQ) e arginina) visualizzati utilizzando il programma Chimera. Fila centrale: Il percorso utensile stampa generati dai modelli STL Chimera, colorata in base al tipo di funzione ubiquitina e arginina (arancione: modello di riempimento; blu scuro: guscio esterno; azzurro: interno shell). In basso consecutive: stampe finali di ubiquitina e arginina. Di superficie e due nastro modelli di ubiquitina stampate al 300% della Chimera uscita STL predefinito (di default è Chimera 1 nm nel modello e 1 cm di stampa), mentre il modello arginina wcome stampato a 1.000%. I modelli di nastro o bastone di default Chimera sono troppo sottili per stampare correttamente, ma le versioni ispessite stamperanno in modo affidabile. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig3.jpg" /> Figura 3. caso di studio Nucleosoma. (A) di proteine Single-istone H3 reso da addensanti &quot;nastri&quot;, stampato in 300%. (B) istone H3 proteina rappresentazione &quot;di superficie&quot;, stampata al 200%. (C) della proteina istone ottamero stampato al 100%. Ottamero (D) proteina istone (arancione) in complesso con DNA flessibile (bianco) stampato a 100%. Modello di superficie (E) Dinucleosome stampato con un raggio di default della sonda e stampato in scala 100%. (F) A model della cromatina &quot;fibra 30 nm&quot; creato da impilare manualmente modelli stampati singolarmente della dinucleosome &quot;10-nm&quot;, in cui la superficie è stata resa con un raggio sonda 3 Å, stampato a 50% e 25% dimensioni, e tenuto insieme con Play-Doh. stampe 3D sono stati generati da un modello del dinucleosome (PPB 1ZBB). Tutti i modelli sono liberamente disponibili per il download presso il NIH 3D di Exchange 11. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55427/55427fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/55427/55427fig4.jpg" /> Figura 4. Esempi di modelli 3D-stampati realizzati con stampanti a filamento. (A) a sinistra, un modello di palla-e-bastone di molecole d&#39;acqua in cristalli di ghiaccio esagonali (stampa dual-filamento). Medio, modello di un nucleotide (guanina). A destra, una proteina alfa h<html> Elix dorsale-unico modello che mostra legami idrogeno (nero). Guanina e l&#39;alfa elica erano colorate a mano con sharpies. (B) a sinistra, canale del sodio, composto da 4 subunità che possono essere uniti insieme (PPB 3E89). Medio, Plasmodium falciparum L-lattato deidrogenasi (PPB 1T2D) stampato come nastri. A destra, il modello del sito attivo DNA polimerasi (PPB 1KLN), che mostra come il DNA e proteine ​​di superficie come nastri. (C) a sinistra, l&#39;HIV busta lipidica con glicoproteina (PPB 5FUU) vincolato da anticorpi (PPB 1IGT), stampati al 15%. Medio, particolare della antigene di superficie glicoproteina al 150%, con la regione variabile di anticorpi indicato come nastri (PPB 5FYJ). Destra, modelli della batterica 70S ribosoma (PDB 4V5D) a 40% e il 20%. Le percentuali si riferiscono alla produzione Chimera standard, dove il 100% significa 1 nm nelle stampe molecola come 1 mm. Tutti i modelli sono liberamente disponibili per il download presso il NIH 3D di Exchange 11.OAD / 55427 / 55427fig4large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy

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