अनुसंधान और अध्यापन के लिए Biomolecular मॉडल के 3 डी प्रिंटिंग
Summary
Physical models of biomolecules can facilitate an understanding of their structure-function for the researcher, aid in communication between researchers, and serve as an educational tool in pedagogical endeavors. Here, we provide detailed guidance for the 3D printing of accurate models of biomolecules using fused filament fabrication desktop 3D printers.
Abstract
The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D structures are most often perceived using the two-dimensional and exclusively visual medium of the computer screen. Converting digital 3D molecular data into real objects enables information to be perceived through an expanded range of human senses, including direct stereoscopic vision, touch, and interaction. Such tangible models facilitate new insights, enable hypothesis testing, and serve as psychological or sensory anchors for conceptual information about the functions of biomolecules. Recent advances in consumer 3D printing technology enable, for the first time, the cost-effective fabrication of high-quality and scientifically accurate models of biomolecules in a variety of molecular representations. However, the optimization of the virtual model and its printing parameters is difficult and time consuming without detailed guidance. Here, we provide a guide on the digital design and physical fabrication of biomolecule models for research and pedagogy using open source or low-cost software and low-cost 3D printers that use fused filament fabrication technology.
Introduction
समारोह और एक बायोमोलिक्यूल की गतिविधि का एक पूरी तरह से समझ अपने तीन आयामी (3 डी) संरचना के निर्धारण की आवश्यकता है। यह नियमित रूप से एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी, एनएमआर, या इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग कर हासिल की है। 3 डी संरचनाओं मॉडल, या सही वस्तुओं संरचनाओं कि वे प्रतिनिधित्व करते हैं 1 दिखने की धारणा के माध्यम से समझा जा सकता है। ऐतिहासिक, भौतिक 3 डी मॉडलों के निर्माण के जांचकर्ताओं को मान्य करने का पता लगाने, और biomolecules के समारोह के बारे में जिसके परिणामस्वरूप परिकल्पना संवाद के लिए जरूरी हो गया था। ऐसे वाटसन-क्रिक डीएनए डबल हेलिक्स और पॉलिंग के अल्फा हेलिक्स, के रूप में इन मॉडलों, संरचना समारोह संबंधों में अद्वितीय अंतर्दृष्टि प्रदान की है और न्यूक्लिक एसिड और प्रोटीन संरचना समारोह 2, 3, 4 के बारे में हमारी समझ में जल्दी के लिए निर्णायक थे। हालांकि जटिल प्रोटीन और न्यूक्लिक एसिड मॉडल बनाया जा सकता है,समय और एक भौतिक मॉडल के निर्माण की लागत अंत में कंप्यूटर एडेड आणविक दृश्य के रिश्तेदार आसानी से outweighed किया गया था।
3 डी प्रिंटिंग, भी additive विनिर्माण के रूप में जाना के विकास, फिर biomolecules 5 के भौतिक मॉडल के निर्माण के लिए सक्षम है। 3 डी मुद्रण एक सामग्री (एस) की परतों के अनुक्रमिक इसके माध्यम से एक डिजिटल फाइल से एक शारीरिक, 3 डी वस्तु fabricating की प्रक्रिया है। तंत्र की एक किस्म के लिए इस प्रक्रिया में उपयोग किया जाता है। अभी हाल तक, biomolecules के भौतिक मॉडल का उत्पादन किया जाता मशीनों बहुत महंगा व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जा रहे थे। हालांकि, पिछले दशक में, 3 डी प्रिंटिंग तकनीक, जुड़े रेशा निर्माण (FFF) विशेष रूप से, काफी उन्नत है, यह उपभोक्ता उपयोग के 6 के लिए सुलभ बना रही है। FFF प्रिंटर अब आमतौर पर उच्च स्कूलों, पुस्तकालयों, विश्वविद्यालयों, और प्रयोगशालाओं में उपलब्ध हैं। अधिक से अधिक सामर्थ्य और 3 डी प्रिंटिंग तकनीक की पहुंचयह संभव सही, भौतिक 3 डी मॉडल biomolecular 7, 8, 9 में डिजिटल 3 डी biomolecular मॉडल बदलने के लिए बनाया गया है। इस तरह के मॉडल एकल biomolecules के न केवल सरल अभ्यावेदन, लेकिन यह भी राइबोसोम और वायरस कैप्सिड संरचनाओं के रूप में जटिल macromolecular विधानसभाओं, शामिल हैं। हालांकि, व्यक्तिगत biomolecules और macromolecular विधानसभाओं छपाई की प्रक्रिया में विशेष रूप से जब थर्माप्लास्टिक बाहर निकालना तरीकों का उपयोग कर, कई चुनौतियों का बना हुआ है। विशेष रूप से, biomolecules के अभ्यावेदन अक्सर जटिल geometries कि प्रिंटर का उत्पादन करने के लिए मुश्किल है, और बनाने और डिजिटल मॉडल है कि सफलतापूर्वक मुद्रित होगा आणविक मॉडलिंग, 3 डी मॉडलिंग, और 3 डी प्रिंटर सॉफ्टवेयर के साथ कौशल की आवश्यकता कार्रवाई कर रहे है।
मोटे तौर पर एक बायोमोलिक्यूल मुद्रण के लिए 3 डी कार्यप्रवाह चार चरणों में होता है: (1) 3 डी मुद्रण के लिए अपने फ़ाइल के समन्वय से एक biomolecular मॉडल तैयारी;(2) मॉडल प्रिंटर के लिए और एक समर्थन संरचना है कि शारीरिक रूप से biomolecular मॉडल को सहारा होगा उत्पन्न करने के लिए खंड के लिए एक "टुकड़ा करने की क्रिया" सॉफ्टवेयर में biomolecular मॉडल का आयात; (3) सही फिलामेंट का चयन और मुद्रण 3 डी मॉडल; और (4) के बाद उत्पादन प्रसंस्करण कदम, मॉडल से समर्थन सामग्री को हटाने सहित (आंकड़े 1 और 2)। इस प्रक्रिया में पहला कदम है, computationally, बायोमोलिक्यूल की फ़ाइल के समन्वय से छेड़छाड़ के लिए महत्वपूर्ण है। इस स्तर पर, उपयोगकर्ता struts के रूप में मॉडल सुदृढीकरण का निर्माण कर सकते हैं, साथ ही संरचनाओं कि उपयोगकर्ता प्रदर्शित करने के लिए चुनता है क्या करने के लिए बाहरी हैं हटा दें। इसके अलावा, प्रतिनिधित्व की पसंद इस स्तर पर किया जाता है: एक सतह प्रतिनिधित्व, रिबन, और / या अलग-अलग परमाणुओं के रूप में सभी या बायोमोलिक्यूल का हिस्सा प्रदर्शित करने के लिए है। एक बार आवश्यक परिवर्धन और / या सामग्री की subtractions बना रहे हैं और प्रतिनिधित्व चुना जाता है, संरचना एक 3 डी मो रूप में सहेजा हैडेल फ़ाइल। इसके बाद, फ़ाइल एक दूसरे सॉफ्टवेयर प्रोग्राम, परत से एक 3 डी प्रिंट फ़ाइल है कि मुद्रित किया जा सकता, परत में परिवर्तित करने के लिए मॉडल बायोमोलिक्यूल की एक प्लास्टिक की प्रतिकृति में में खोला है।
हमारे प्रोटोकॉल का लक्ष्य आणविक मॉडल के निर्माण के लिए जो करने के लिए और अधिक महंगा नहीं है 3 डी मुद्रण प्रौद्योगिकी FFF प्रिंटर के लिए उपयोग, लेकिन उन की बड़ी संख्या के लिए सुलभ बनाने के लिए है। यहाँ, हम तरीकों कि FFF मुद्रण के लिए अनुकूलित कर रहे हैं के साथ 3 डी आणविक डेटा से biomolecules के 3 डी मुद्रण के लिए एक गाइड प्रदान करते हैं। हम विस्तार कैसे जटिल संरचनाओं के biomolecular printability को अधिकतम और शारीरिक मॉडल की साधारण पोस्ट प्रसंस्करण सुनिश्चित करने के लिए। कई आम मुद्रण सामग्री या तंतु के गुणों की तुलना में कर रहे हैं, और उनके उपयोग पर सिफारिशों को बनाने के लिए लचीला प्रिंट प्रदान की जाती हैं। अंत में, हम 3 डी-मुद्रित biomolecular मॉडल है कि विभिन्न आणविक अभ्यावेदन के उपयोग के प्रदर्शन के उदाहरण के एक श्रृंखला का प्रदर्शन।
Protocol
Representative Results
Discussion
biomolecules के भौतिक 3 डी मॉडल दृश्य के अधिक आम कंप्यूटर आधारित तरीकों के लिए एक शक्तिशाली पूरक प्रदान करते हैं। एक भौतिक 3 डी प्रतिनिधित्व के अतिरिक्त गुण biomolecular संरचना का सहज समझ के लिए योगदान। biomolecules के भौतिक 3 डी मॉडल का निर्माण एक माध्यम है कि मानवीय संवेदना की अच्छी तरह से विकसित मोड का लाभ लेता है के उपयोग के माध्यम से अपने अध्ययन की सुविधा कर सकते हैं। 3 डी मॉडल न केवल शोधकर्ता के लिए एक सहायता के रूप में सेवा है, लेकिन शैक्षणिक गतिविधियों की सुविधा के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है और सीखने के परिणामों में से 13, 14, 15 उपलब्धि बढ़ा सकते हैं। मैग्नेट के रूप में polypeptides 16 वर्ष की एक मॉडल के साथ दिखाया गया है, विधानसभा और disassembly के लिए अनुमति देने के लिए प्लास्टिक मॉडल को जोड़ा जा सकता है। इसके अलावा, 3 डी-मुद्रित वस्तुओं दोनों प्रयोगशाला उपकरण 17 के निर्माण में, अनुसंधान के क्षेत्र में इस्तेमाल किया जा सकता है और साथ ही microfl बनाने के लिएकोशिकाओं को 18 और क्रिस्टल 19 या 20 न्यूरॉन्स के मॉडल के लिए uidic उपकरणों। भौतिक मॉडल के हेरफेर सहयोगात्मक चर्चा है कि नए अंतर्दृष्टि को प्रेरित कर सकते बढ़ावा देने के लिए सेवा कर सकते हैं।
प्रिंटर की लागत में 3 डी प्रिंटिंग प्रौद्योगिकी और कटौती में हाल के घटनाक्रम के एक व्यक्ति के उपयोगकर्ता द्वारा biomolecules के जटिल शारीरिक, 3 डी मॉडल के निर्माण में सक्षम बनाता है। हालांकि FFF मुद्रण प्रौद्योगिकी और अधिक आम और अन्य तरीकों से भी कम महंगा है, यह सीमाओं के एक नंबर बन गया है। 3 डी प्रिंटिंग की प्रक्रिया में समय लगता है, और यांत्रिक विफलताओं होती है। FFF प्रिंटर आमतौर पर केवल एक भाग के प्रति एक सामग्री मुद्रित कर सकते हैं, रंग जानकारी के प्रदर्शन को सीमित। FFF प्रिंटर पर किए गए मॉडल का संकल्प कम है, परत प्रति 100 माइक्रोन के आसपास। हम पाठक इन सीमाओं के साथ काम करने के लिए और उनके हित के प्रिंटर और बायोमोलिक्यूल (ओं) के लिए एक दृष्टिकोण विकसित करने के लिए सलाह। हम प्रक्रिया को प्रस्तुत किया हैएक उपयोगकर्ता के लिए आवश्यक sses के हित के अपने बायोमोलिक्यूल के एक कस्टम 3 डी प्रतिनिधित्व है कि सटीक, जानकारीपूर्ण, और मुद्रण योग्य है विकसित करने के लिए। किसी भी नई तकनीक के साथ, वहाँ अक्सर "बढ़ते दर्द" है कि इसके उपयोग के दौरान दूर किया जाना चाहिए रहे हैं। हम कई उदाहरण हैं जहां समस्याओं 3 डी प्रिंटिंग biomolecules (पूरक 6 देखें) की प्रक्रिया में सामना किया जा सकता है प्रदान करते हैं।
अंत में, इस लेख के माध्यम से, यह हमारे उद्देश्य biomolecules के 3 डी मुद्रण में लगे उपयोगकर्ताओं के एक समुदाय के विकास में योगदान करने के लिए है। महत्वपूर्ण बात है, एनआईएच 3 डी मॉडल साझा करने के लिए जनता के लिए एक डेटाबेस की स्थापना की है और तरीकों उन्हें 10 मुद्रित करने के लिए प्रयोग किया जाता है। हम दृढ़ता से इस अनूठी संसाधन (एनआईएच कैसे 3 डी प्रिंट एक्सचेंज को 3 डी मॉडल प्रिंट और पृष्ठभूमि की जानकारी अपलोड करने के बारे में निर्देश के लिए पूरक 7 देखें) में भागीदारी प्रोत्साहित करते हैं।
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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 Tübingen; 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).
Materials
| 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 |
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