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.
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.
En grundig forståelse af funktionen og aktiviteten af et biomolekyle kræver bestemmelse af dets tredimensionale (3D) struktur. Dette rutinemæssigt opnås ved anvendelse af røntgenkrystallografi, NMR eller elektronmikroskopi. 3D strukturer kan forstås gennem opfattelsen af modeller, eller præcise genstande ligner de strukturer, de repræsenterer en. Historisk bygning af fysiske 3D-modeller var nødvendigt for efterforskerne at validere, udforske og kommunikere de resulterende hypoteser om funktion af biomolekyler. Disse modeller, såsom Watson-Crick DNA dobbelt helix og Paulings alpha helix, forudsat unik indsigt i struktur-funktionsforhold og var afgørende for vores tidlige forståelse af nukleinsyre og protein struktur-funktion 2, 3, 4. Selv om der kan skabes kompleks protein og nucleinsyre-modeller, dentid og omkostninger ved at bygge en fysisk model blev til sidst opvejes af den relative lethed af computerstøttet molekylær visualisering.
Udviklingen af 3D-printer, også kendt som additiv fremstilling, har igen gjort det muligt for konstruktionen af fysiske modeller af biomolekyler 5. 3D-print er processen til fremstilling af en fysisk, 3D objekt fra en digital fil ved den sekventielle tilsætning af lag af et materiale (r). En række mekanismer anvendes i denne proces. Indtil for nylig maskiner anvendt til at producere fysiske modeller af biomolekyler var for dyre til at blive almindeligt anvendt. Men i det sidste årti, 3D-print-teknologi, smeltet filament fabrikation (FFF) i særdeleshed, har avancerede betydeligt, hvilket gør det tilgængeligt for forbrugerne brug 6. FFF printere er nu almindeligt tilgængelige i gymnasier, biblioteker, universiteter og laboratorier. Den større overkommelige priser og tilgængelighed 3D-print-teknologihar gjort det muligt at konvertere digitale 3D biomolekylære modeller til nøjagtige, fysiske 3D biomolekylære modeller 7, 8, 9. Sådanne modeller indbefatter ikke kun simple repræsentationer af enkelte biomolekyler, men også komplekse makromolekylære aggregater, såsom ribosomet og virus capsid strukturer. Men processen med at udskrive enkelte biomolekyler og makromolekylære forsamlinger udgør, flere udfordringer, især ved brug af termoplastiske ekstrudering metoder. Især repræsentationer af biomolekyler har ofte komplekse geometrier, der er vanskelige for printere til at producere, og skabe og behandling af digitale modeller, der udskrives med succes kræver dygtighed med molekylær modellering, 3D-modellering, og 3D-printer software.
3D workflow for udskrivning af et biomolekyle bredt opstår i fire trin: (1) forbereder en biomolekylært model fra sin koordinere fil til 3D trykning;(2) at importere den biomolekylære model i en "udskæring" software til segmentet modellen for printeren og til at generere en støttestruktur, der fysisk vil afstive den biomolekylaer model; (3) at vælge den korrekte filament og udskrivning af 3D-modellen; og (4) post-produktion behandlingstrin, herunder fjernelse bæremateriale fra modellen (figur 1 og 2). Det første skridt i denne proces, beregningsmæssigt manipulere koordinat filen af biomolekyle, er kritisk. På dette trin kan brugeren opbygge model forstærkninger i form af stivere, samt fjerne strukturer, der er fremmede for hvad brugeren vælger at vise. Desuden er valget af repræsentation foretaget på dette stadium: om der skal vises hele eller en del af biomolekylet som overfladerepræsentation, bånd, og / eller de enkelte atomer. Når de nødvendige tilføjelser og / eller subtraktioner indhold er lavet, og repræsentationen er valgt, strukturen gemt som en 3D-model fil. Dernæst filen åbnes i et andet program til at konvertere model i en 3D-print-fil, der kan udskrives, lag for lag, i en plastik kopi af biomolekyle.
Målet med vores protokol er at gøre fremstillingen af molekylære modeller tilgængelige for et stort antal brugere, der har adgang til FFF printere, men ikke til dyrere 3D print teknologier. Her giver vi en guide til 3D-print af biomolekyler fra molekylære data 3D, med metoder, der er optimeret til FFF udskrivning. Vi detaljer, hvordan at maksimere trykbarhed af komplekse biomolekylære strukturer og sikre enkle efterbehandling af fysiske modeller. Egenskaberne af flere almindelige trykning materialer eller filamenter sammenlignes, og anbefalinger om deres anvendelse til at skabe fleksible udskrifter leveres. Endelig har vi fremvise en række eksempler på 3D-printede biomolekylære modeller, der viser brugen af forskellige molekylære repræsentationer.
Fysiske 3D-modeller af biomolekyler giver en kraftfuld supplement til mere almindelige computer-baserede metoder til visualisering. De yderligere egenskaber af en fysisk 3D repræsentation bidrager til intuitiv forståelse af biomolekylære struktur. Konstruktionen af fysiske 3D-modeller af biomolekyler kan lette deres undersøgelse ved anvendelse af et medium, der drager fordel af veludviklede former for menneskelig sensation. 3D-modeller tjener ikke kun som en hjælp til forskeren, men kan anvendes til at lette pædagogiske aktiviteter og kan øge opfyldelsen af læringsresultater 13, 14, 15. Magneter kan tilsættes til plast modeller for at muliggøre montering og demontering, som vist med en model af polypeptider 16. Desuden kan 3D-trykte genstande anvendes i forskning, både i fremstillingen af laboratorieudstyr 17, samt for at gøre microfluidic udstyr til celler 18 og modeller af krystaller 19 eller neuroner 20. Den manipulation af fysiske modeller kan tjene til at fremme samarbejde diskussioner, som kan inspirere nye indsigter.
Den seneste udvikling i 3D udskrivning teknologier og reduktioner i udgifterne til printere muliggør skabelsen af komplekse, fysiske 3D-modeller af biomolekyler ved hjælp af en enkelt bruger. Selvom FFF printteknologi er mere almindelige og billigere end andre metoder, det udgør en række begrænsninger. 3D trykning proces er tidskrævende, og mekaniske fejl opstår. FFF-printere kan normalt kun udskrive ét materiale pr del, begrænser visningen af farveinformation. Opløsningen af modeller lavet på FFF printere er lav, omkring 100 um per lag. Vi anbefaler læseren til at arbejde med disse begrænsninger og til at udvikle en tilgang til deres printer og biomolekyler (r) af interesse. Vi har præsenteret proceSSES kræves for en bruger at udvikle en brugerdefineret 3D repræsentation af deres biomolekyle af interesse, der er nøjagtig, informativ og kan udskrives. Som med enhver ny teknologi, er der ofte "vokseværk", der skal overvindes i løbet af dens brug. Vi giver flere eksempler hvor problemer kan opstå i processen med 3D trykning biomolekyler (se supplement 6).
Endelig gennem denne artikel, er det vores mål at bidrage til vækst i et fællesskab af brugere, der udfører den 3D-print af biomolekyler. Vigtigere er det, har NIH etableret en database for offentligheden for at dele 3D-modeller og de anvendte metoder til at udskrive dem 10. Vi opfordrer på det kraftigste at deltage i denne unikke ressource (se supplement 7 for instruktioner om hvordan du uploader en 3D-model print og baggrundsinformation til NIH 3D Print Exchange).
The authors have nothing to disclose.
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).
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 |