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        3-D 打印蛋白質翻譯核心組件在生命科學中的應用*

        2021-02-22 02:38:08周兆麗吳佩洋沈園園曹家翊鄭昊旸宋佳燁萍1
        科技創(chuàng)新與應用 2021年8期
        關鍵詞:格式文件核糖體密碼子

        周兆麗,吳佩洋,沈園園,廖 雪,曹家翊,鄭昊旸,宋佳燁,李 萍1,*

        (1.上海健康醫(yī)學院 分子影像重點實驗室,上海201318;2.上海健康醫(yī)學院 藥學院,上海201318;3.上海健康醫(yī)學院 醫(yī)療器械學院,上海201318)

        3-D 打?。═hree-dimensional Printing),又名為增材制造(Additive Manufacturing,AM),是基于計算機輔助設計的數(shù)字模型逐層構建實體物品對象的一項新技術[1]。3-D 打印應用于包括工業(yè)制造、航天航空、建筑、藝術設計、醫(yī)學、藥學等在內的多個領域,被譽為將引領“第三次工業(yè)革命”的關鍵技術之一,是“中國制造2025”的重點支柱[2-4]。3-D 打印誕生于二十世紀八十年代,最初僅限于制造業(yè),后來與數(shù)字化技術結合后開始向醫(yī)學、藥學領域發(fā)展,可以實現(xiàn)對人體組織胚胎學、病理解剖學等復雜教學模型的精確實體制造,可以制造保持生物活性的細胞、組織器官用于再生醫(yī)學、醫(yī)藥學試驗研究[5-9]。個性化制造是3-D 打印技術制作的突出優(yōu)勢之一,3-D 打印可以將抽象的醫(yī)學知識轉化成直觀、形象的實體模型[10-13]。然而,目前的3-D 打印,應用多停留于有實體模型、宏觀大體可見的組織器官水平,對微觀分子世界,分子結構及生命活動的顯示,較少見。

        基于上述,本研究擬就蛋白質翻譯過程這一生命科學重要核心分子生化活動,運用3-D 打印技術,以核糖體、核酸、氨基酸為基本元素,使用3ds Max 等軟件建模,構造3-D 模型,使用Cura 生成可打印的Gcode 格式文件,進行3-D 打印,利用打印后的各組件,將微觀世界蛋白質的生物合成可視化,推進應用3-D 打印翻譯核心組件的“樂高式”模具在生命科學中的應用。

        1 材料與方法

        1.1 輔助軟件(3ds Max)制作過程

        通過3ds Max 建立一個三維蛋白質翻譯過程,將核糖體、核酸、氨基酸、作用于蛋白質翻譯過程的氨基糖苷類小分子藥物的形狀、尺寸、場景等進行建立,調整參數(shù),也可為模型附上特定的材質、以及靜態(tài)或動態(tài)的制作。制作過程之中參數(shù)嚴格化,并進行渲染,調整整體氣氛效果,如色彩、比例等,使制作模型的具有良好的感官效果。

        圖1 tRNA 及其反密碼子參數(shù)設置

        1.2 輔助軟件(Cura)生成可打印的Gcode 格式文件

        被稱為3-D 打印軟件的標準切片軟件,Cura 可以兼容大部分3-D 打印機,并且其代碼完全開源,可以通過插件進行擴展,制作原型設計,獲得專業(yè)級的渲染效果。將通過3ds Max 建立的三維蛋白質翻譯場景,核糖體、核酸、氨基酸等元素組件,調整參數(shù),為模型附上特定的材質、以及靜態(tài)或動態(tài)的制作。將3ds Max 生成的stl 或者obj 格式文件導入Cura 軟件,生成Gcode 格式的可打印文件,預覽真實模型的仿真效果。

        1.3 3-D 打印及“樂高式”生命科學事件展示

        采用樂彩牌的3D 打印機,為“Repetier-Host”軟件安裝上驅動軟件,為操作樂彩3D 打印機做好必要準備后執(zhí)行打印。將Cura 軟件通過USB 連接電腦端直接控制3D 打印機,選擇適宜比例的膠水和粉末,達到理想的固化反應速度,打印出模型。將模具以樂高式展示效果,傳遞生命科學領域分子事件。

        2 結果

        3ds Max 制作tRNA 參與蛋白質翻譯過程機制效果包括:3D 模型制作、供3D 打印機使用的可打印文件制作。

        3D 模型制作:

        tRNA 是由核苷酸折疊而成“三葉草”形狀的分子,它必須與細胞質內游離的氨基酸以共價鍵的形式結合。圖1 為tRNA,其中球狀是氨基酸,它的參數(shù)半徑為6.0mm,分段32,顏色采用紫色。圖2 中三個圓柱體是tRNA 上的反密碼子,它的參數(shù)半徑為3.0mm,高度15mm,高度分段5,端面分段1,邊數(shù)18。圖3 中長方體是mRNA,它的參數(shù)長度8mm、寬度300mm、高度5mm。mRNA 上的圓柱體是密碼子codon,其參數(shù)與反密碼子相同。圖4 為tRNA上的反密碼子掃描5' 端mRNA 直到遇到起始密碼子(AUG)處根據(jù)堿基互補配對(A-U,G-C)原則開始翻譯。

        3 可打印文件制作與3-D 打印,及“樂高式”模具組裝

        圖2 mRNA 參數(shù)設置與tRNA 上的反密碼子掃描

        3ds Max 模型導出為STL 或OBJ 格式的文件,導入Cura(4.0.0 版本)后,沒有顏色信息,這是因為STL 文件用三角形網格來表現(xiàn)3D CAD 模型,只能描述三維物體的幾何信息,不支持顏色材質等信息。見圖3。點擊“Basic”菜單,進行打印參數(shù)最基本的數(shù)據(jù)設置,見圖4。包括:底層厚0.1mm、壁厚0.8mm、頂部或底部0.8mm、填充率80%、打印速度70mm/s、打印溫度200℃、模型底部的厚度都要加厚到1.2mm 等一系列的參數(shù),根據(jù)材料、機型等需要設置不同的打印參考數(shù)據(jù)。設置更改打印參數(shù),如PLA 的打印溫度一般為200℃,現(xiàn)在要打印ABS 材料,則將溫度設置為230℃即可。再使用精確尺寸來設置模型大小,見圖5。這里的改變就是精確的,精確度可以到千分位。如現(xiàn)在將模型的的Y 軸改為尺寸大小為106.3326mm。設置好模型后,接下來就是模型的格式導出,保存文件的格式可以為gcode、stl 或者obj 格式等。我們選用gcode 的格式,見圖5。采用樂彩牌的3D 打印機,將Cura 軟件連接于電腦端控制3D 打印機,選擇適宜比例的膠水和粉末,達到理想的固化反應速度,打印出模型,組裝后很好的動態(tài)式還原翻譯過程。

        4 討論

        圖3 3ds Max 模型導出為STL 或OBJ 格式的文件,導入Cura

        圖4 Cura 打印參數(shù)最基本的數(shù)據(jù)設置

        本研究使用3ds Max、等軟件建模,構造3-D 模型,使用Cura 生成可打印的Gcode 格式文件,3-D 打印蛋白質翻譯過程基本組件,mRNA,tRNA,核糖體,以“樂高式”模式,展示生命科學領域的核糖體沿著mRNA 信使移動,核糖體E、P、A 位的移動變化,攜帶不同氨基酸或者短肽鏈tRNA 及空載tRNA,多肽鏈延伸等,有最為直接的形象展示效果。本研究就核糖體、mRNA,tRNA 等結構的三維建模,采用的是目前較廣為接受的示意結構,并非完全仿真。曾有研究報道采用3-D 打印拼圖式構建蛋白質-DNA 的互作[15],以及DNA,tRNA 結構的3-D 打印[16],這將是本研究團隊繼續(xù)學習跟進的方向。2016年在Cell,Science 等頂級雜志上有關于mRNA 翻譯的實時動態(tài)成像研究,以及翻譯動力學研究的一系列報道[17-20],這些將是我們很好的工作基礎,我們將進一步的以核酸堿基、氨基酸為基本要素,跟進自然科學的進展報道設置結構參數(shù),高仿真模擬蛋白質翻譯過程。3-D 打印的個性化特點為實現(xiàn)真實化展現(xiàn)微觀分子,及分子間的動態(tài)互作,提供極好的技術保證。

        圖5 Cura 設置模型大小及其導出的gcode 格式文件

        5 結束語

        隨著以電子計算機的發(fā)明和應用為主要標志、核心的第三次科技革命的到來,3-D 打印在醫(yī)藥領域的個性化應用,將更加體現(xiàn)“科技改變生活”。結合書本上的理論知識開發(fā)3-D 打印,擴大其應用于生命科學微觀分子生化活動的形象化展示,有著重要的科技創(chuàng)新應用意義。

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