Molekülmodelle von Proteinen 3D Drucken

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In den letzten Jahrzehnten konnte das Verständnis dreidimensionaler Strukturen großer Moleküle, z. B. von Nukleinsäuren oder Proteinen und damit einhergehend, auch deren Einfluss auf die Funktion deutlich verbessert werden. Heutzutage können mithilfe von Datenbanken, beispielsweise der Protein Datenbank oder Programmen, z. B. Pymol, Chimera oder JSmol, im Handumdrehen Animationen von Molekülen erstellt werden.

Der nächste Schritt besteht darin, diese Animationen drucken zu lassen. Deswegen wollen wir Sie hier informieren, wie Sie Ihr digitales Molekülmodell auf den 3D-Druck vorbereiten können.


3D Druck Molekülmodell Protein 2LQ9

3D gedrucktes Proteinmodell 2LQ9 (für die Universität Konstanz erstellt)


Vorteil 3D-gedruckter Molekülmodelle

Während zweidimensionale Visualisierungen in den meisten Fällen ausreichen können, erscheint ein Modell zum Anfassen in anderen sinnvoller. Beispielsweise für Schüler/innen und Studierende ist ein 3D-gedrucktes Molekülmodell sicherlich eine bessere Hilfe beim Nachvollziehen der Strukturen und des Aufbaus als ein gedrucktes Bild auf einem Blatt Papier, weil hierbei auch die Funktionsweise besser dargestellt werden kann, beispielsweise durch Ligand Bindungen. Des Weiteren kann auch während einer Präsentation mit 3D-Modellen gepunktet werden, wenn die Untersuchungsergebnisse für die Zuhörer verständlicher werden.


3D printed molecule model of the GFP: laser sintering vs. colorjet

3D gedrucktes GFP- Modell: Colorjet (links) vs. Laser Sintering (für die Universität in Tübingen erstellt)


Molekülmodelle zum 3D-Druck vorbereiten

Zuerst sollte im National Institute for Health (NIH 3D Printing Exchange) nachgesehen werden, ob das Molekülmodell, das gedruckt werden soll, dort zu finden ist. Ansonsten muss es selbst generiert werden (anschließend kann es bei NIH hochgeladen werden).
Es gibt hierbei unterschiedliche Methoden. Da viele unserer Kunden mit Chimera arbeiten, wollen wir Ihnen diese Möglichkeit näherbringen:

1. Modell in der Protein Datenbank finden und im PDB Format (gz) downloaden.

2. Chimera downloaden und installieren (bitte beachten: nur für private Personen und Forschungsinstitute kostenlos zugänglich).

3. Chimera und Datei öffnen (File -> Open).

4. Oftmals können mehrere Ketten und Liganden Teil des Modells sein. Wenn überflüssige Ketten entfernt werden sollen, gehen Sie wie folgt vor:

  • Wenn nur eine weitere Kette entfernt werden soll, wählen Sie diese aus (Select -> Chain) und verbergen sie diese (Actions -> Ribbon -> Hide).
  • Bei mehreren überflüssigen Ketten markieren Sie bitte diejenige, die Sie behalten wollen (Select -> Chain) und wählen „Invert All Models“. Somit werden alle markiert bis auf die eine Kette, die Sie am Anfang markiert haben. Danach können Sie diese verbergen (Action -> Ribbon -> Hide).

Bei einem Liganden:

  • Falls auch der Ligand gedruckt werden soll, empfehlen wir dies separat zu machen. In der Regel ist eine Lücke zwischen Ligand und Molekül, weswegen sie nicht gemeinsam gedruckt werden können.
  • Deswegen sollte der Ligand zunächst entfernt werden (Select -> Chain); (Actions -> Atoms/ Bonds -> Hide).

5. Kette für den 3D-Druck vorbereiten: Zunächst muss sichergegangen werden, dass die Struktur stabil genug ist und danach kann nach Wunsch Farbe hinzugefügt werden.

  • Größe einstellen: Select -> Chain danach können bei Tools -> Depiction -> Ribbon Style Editor die Maße eingegeben werden. Für die Dicke gibt es keine fixen Regelungen, doch kann man als Daumenregel sagen, dass bei kleineren Modellen die Wandstärke am Ende nicht unter 3 mm sein sollte. Bei größeren Modellen hingegen sollte die dünnste Struktur zwischen 6 und 10 mm liegen. Im Allgemeinen: Je dicker desto besser, da die Modelle ziemlich fragil sein können.
  • Farben: Select -> Structure -> Secondary Structure -> Coil, danach kann bei Actions -> Color die Wunschfarbe des Coils ausgewählt werden. Für die Helixe (helices) und Faltblätter (sheets) dann gleichermaßen vorgehen.

6. Nun kann das fertige Molekülmodell zum Drucken exportiert werden:

  • File -> Export Scene
  • Als Format für Modelle ohne Farben STL verwenden und für kolorierte Modelle VRML.
  • Im Normalfall sollten nun alle Modelle druckbereit sein. Wenn dies nicht klappen sollte, kann z. B. mit Hilfe der Software Netfabb herausgefunden werden, woran dies liegt. Hierzu muss man die Datei nur hochladen und den Rest erledigt Netfabb.

3D-Druckvorgang

Nach dem Vorbereiten des Modells kann gedruckt werden. Beim 3D-Druck von Molekülen werden üblicherweise vier Technologien verwendet:

  • MJF (Multi Jet Fusion-Farbdruck): Beim Hochleistungs­druckverfahren MJF, wird meist PA 12 verwendet. Das Material ist sehr robust und kommt ohne Stützstrukturen aus. Standardmäßig ist das Material grau, seit 2019 kann mit diesem Verfahren auch vollfarbig gedruckt werden. Aufgrund der Farbigkeit und der Robustheit eignet sich MJF am besten für den Druck von Molekülmodellen.
  • FDM (Fused Deposition Modeling): Das sind die typischen Drucker, die man in Universitäten oder anderen akademischen Einrichtungen finden kann, z. B. Ultimaker, Makerbot, Leapfrog, Zortrax oder selbst zusammengebaute 3D-Drucker Kits. Der Druck ist zwar günstig, doch dementsprechend fällt auch die Qualität eher moderat aus. Nichtsdestotrotz sollte es für viele Bildungszwecke ausreichen.
  • SLA (Stereolithographie): Wie FDM benötigt auch das SLA- Verfahren unterstützende Strukturen, weswegen es für den Druck von Proteinmodellen weniger geeignet ist. Für einfachere Strukturen jedoch eignet sich diese Technologie hervorragend. Im Gegensatz zum FDM ist bei SLA die Oberfläche sehr glatt und es sind präzise Drucke möglich. Liganden drucken wir meist mit dieser Technologie. Einige Institutionen in Ihrer Nähe werden solche Drucker (z. B. Formlabs) bereits haben, wenn nicht können Sie einen 3D- Druck Service, gerne auch unseren, nutzen.
  • SLS (Laser Sintering): Bei dieser Technologie braucht man keine unterstützenden Strukturen. Deswegen können sehr komplexe Modelle damit gedruckt werden. Das Material hierbei ist (meist) PA 12, Nylon. Dieses Material ist flexibel, wenn es dünn ist und wird bei höherer Materialdicke fest. Deswegen sollte, selbst bei diesem eher stärkeren Material, keine zu geringe Wandstärke verwendet werden, damit das Modell nicht zusammenbricht. Die SLS- Technologie braucht hochentwickelte Maschinen, die die meisten Forschungseinrichtungen nicht haben.

Wir wünschen Ihnen viel Spaß beim Vorbereiten Ihres Modells!

Stanozolol (3D-Druck Molekülmodell)

Kein Protein, aber ebenfalls 3D-gedruckt ist dieses Kugel-Stab Modell eines Steroids.

Proteinmodell 3D-Druck

Ein weiteres Protein im Vollfarb-3D-Druck.

3D printed molecule 1ake protein

Das Protein 1AKE 3D gedruckt (für die Universität Konstanz)


Es gibt viele weitere Quellen, die solche Verfahren gut erklären. Wir listen hier einige für Sie auf:
Denis Hudrisier auf YouTube (mit Chimera)
Jessica Pola auf ascb.org (mit PyMol)
Scott C. Meyer im Journal of Chemical Education
Theabion auf Instructables.com

Wenn Sie weitere kennen, kontaktieren Sie uns gerne.

Danksagung: Wir danken SM, die für diesen Artikel detaillierte Informationen über Chimera bereitgestellt hat. Des Weiteren danken wir der Universität Konstanz und der Universität Tübingen für die Erlaubnis, ihre Bilder verwenden zu dürfen.


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