Beispiel GFP: 3D-Druck Molekülmodelle

Molekülmodell GFP Hintergrundbild

Proteine gelten als die Bausteine des Lebens – alles was man an Lebewesen sieht, besteht entweder aus Proteinen oder wurde von solchen hergestellt. Für die Lebenswissenschaften sind diese Moleküle damit zentrales Forschungsthema. Das Forschungsgebiet der Proteomik befasst sich mit der Aufklärung der Proteoms, d.h. der Gesamtheit aller in einem Lebewesen bzw. Zelle vorkommender Proteine.

Um nicht nur alle Proteine zu identifizieren, sondern auch zu verstehen wie sie funktionieren, bzw. miteinander interagieren, ist das Verständnis der dreidimensionalen Struktur dieser Makromoleküle unerlässlich. Für die Strukturaufklärung der Proteine gibt es mehrere etablierte Verfahren, beispielsweise die NMR-Spektroskopie oder die Röntgenstrukturanalyse. Die Darstellung der identifizierten dreidimensionalen Struktur findet hingegen fast ausschließlich virtuell, sprich am Computer statt.

3D-Druck zur Herstellung von komplexen Molekülmodellen

Eine physische Darstellung als Molekülmodell gestaltet sich aufgrund der räumlichen Komplexität der Moleküle mit etablierten Verfahren (z.B. Frästechniken oder Spritzguss) als extrem schwierig. Der 3D-Druck bietet dabei eine völlig neuartige Möglichkeit die Moleküle vom zweidimensionalen Bild zum ‚echten‘ physischen Modell werden zu lassen.

Auch dies ist allerdings nicht einfach. Auf molekularer Ebene wird die Raumstruktur der Proteine über zahlreiche Wechselwirkungen stabilisiert, welche auf makroskopischen Level natürlich nicht stattfinden. Daher ist eine Darstellung auch hier nur möglich, wenn gewisse Hilfsstrukturen eingezogen werden, die dem Molekülmodell halt geben.

Nur stützstrukturfreie 3D-Druckverfahren sind zur Realisierung geeignet.

GFP Grün fluoreszierendes Protein Molekuelmodell im Lasersinterverfahren

Molekülmodell GFP im Lasersinterverfahren: das Material ist sehr resistent, kann allerdings nicht farbig dargstellt werden

GFP Grün fluoreszierendes Protein Molekuelmodell Lasersintern vs. ColorJet

Lasersintern (rechts) vs. 3D-Pulverdruck (auch ColorJet oder 3D-Farbdruck). Die Domänen sind im Farbdruck besser zu unterscheiden

GFP Grün fluoreszierendes Protein Molekuelmodell Farb 3D-Druck

Molekülmodell GFP im vollfarbigen 3D-Druck

GFP Molekuelmodell Chromophor

Das Chromophor des grün fluoreszierenden Proteins in der Nahaufnahme

Viele 3D-Druckkverfahren arbeiten mit sogenannten Stützstrukturen. Diese stabiliseren Überhänge, so dass sie nicht herunterfallen (z.B. PolyJet oder FDM) bzw. in einer Flüssigkeit abtauchen (Stereolithografie). Durch die geometrische Komplexität von Makromolekülen eignen sich derartige Verfahren nicht, da die Modelle so von Stützmaterial durchzogen wären, dass ein Trennen von Modell und Support technisch herausfordernd ist.

Es gibt allerdings auch Verfahren die kein Supportmaterial benötigen. Insbesondere Lasersintern und 3D-Pulverdruck (ColorJet oder 3D-Farbdruck) sind verbreitete Verfahren die auf diesem Prinzip beruhen.

Lasersintern hat den großen Vorteil, dass als Material hauptsächlich Polyamid (‚Nylon‘) verwendet wird. Dieses ist sehr stabil und flexibel, so dass die resultierenden Molekülmodelle sehr widerstandsfähig sind. Nachteile des Verfahrens sind zum einen, dass sich die Modelle lediglich einfarbig darstellen lassen und zum anderen, dass die Modelle so flexibel werden, dass (abhängig von der jeweiligen Struktur) sich allein durch das Eigengewicht die Raumstruktur verziehen kann.

ColorJet hingegen arbeitet mit Polymergipspulver. Dieses ist wiederum brüchiger als Polyamid, allerdings kann mit diesem Verfahren in Farbe gedruckt werden (siehe Fotos). Ein Nachteil des Verfahrens ist die Zerbrechlichkeit der Moleküle. Letztere minimieren wir mittels zwei Techniken: stabilisierende Strukturen und Kunststoffbeschichtung. Erstere sind dezente Strukturen die zwar nicht im Molekül vorkommen, aber notwendig sind um die Stabilität zu erhöhen. Bei letzterem Verfahren wird das Modell zusätzlich mit einer ca. 0,5 mm starken Kunststoffschicht überzogen. Dies steigert nicht nur die optische Erscheinung des 3D-Molekülmodells, sondern stabilisert zusätzlich und schützt vor Feuchtigkeit und Verschmutzung.

Einsatz für Lehre und Forschung

Die Molekülmodelle sind hervorragende Hilfsmittel, um Studierenden die räumliche Komplexität von Makromolekülen näher zu bringen. Dabei kann direkt am Modell erklärt werden, wo Wechselwirkungen stattfinden, wo und wie aktive Zentren funktionieren, etc.
Auch in der Wissenschaft helfen die Protein Molekülmodelle, die Struktur besser zu verstehen und gemeinsam im Team zu diskutieren.

Das 3D-Molekülmodell des Grün-fluoreszierenden Proteins

Exemplarisch dargestellt sei hier ein 3D Molekülmodell des bei Lebenswissenschaftlern sehr bekannten Grün-fluoreszierenden Proteins, GFP. Beschrieben wurde das Protein, welches in der Qualle Aequorea victoria vorkommt, erstmals 1962 von Osamu Shimomura. Für seine Arbeiten am GFP erhielt Shimomura im Jahr 2008 den Nobelpreis für Chemie.

Die wichtigste Eigenschaft des GFPs ist die grüne Fluoreszenz unter Anregung von ultraviolettem oder blauem Licht. Diese Eigenschaft macht man sich in der Molekularbiologie u.a. zu Nutze, um andere Proteine mit dem GFP zu fusionieren und anschließend in der Zelle sichtbar zu machen.

3D-Molekülmodell Grün-fluoreszierendes Protein (GFP) Ansicht 2

Molekülmodell GFP im Lasersinterverfahren: das Material ist sehr resistent.

Danksagung: Wir bedanken uns bei Hr. Dr. Suckale (Universität Tübingen) für das Bereitstellen des GFP 3D-Modells.


Ihr Ansprechpartner:
Markus May
Dipl.-Biol.
E-Mail: markus_may – at – 3faktur.com
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