Etapa 1

Designul modelului computerizat

Identificarea coordonatelor atomice ale moleculei

Structurile moleculelor complexe precum acizii nucleici sau proteinele nu pot fi reprezentate prin simple formule chimice. De aceea acestea sunt stocate cel mai frecvent sub forma unor fisiere .pdb sau .cif ce conțin coordonatele carteziene ale tuturor atomilor din structura unei molecule. Fișierul cu coordonatele atomilor reprezintă punctul de plecare pentru toate modelele fizice de pe acest site.

Fisiere cu structurile diverselor proteine sau acizi nucleici sunt disponibile și pot fi descărcate gratuit din  baze da date specializate, cea mai cunoscută fiind RCSB PBD. Baza de date are o funcție de căutare deosebit de utilă pentru identificare de molecule interesante, dar cuvintele cheie trebuie introduse în limba engleză. 

Mai jos sunt câteva exemple de molecule cunoscute ce se găsesc RCSB PDB:

  • deoxihemoglobina – 2HHB
  • un fragment de ADN de 10 perechi de nucleotidede  – 1BNA
  • ARN-ul de transport pentru fenil-alanină – 4TNA

Vizualizarea moleculei și stabilirea reprezentării

Coordonatele atomice ale moleculei din fișierul .pdb pot fi manipulate cu ajutorul programelor software de vizualizare moleculară precum PyMol, ChimeraX sau Jmol. Prin intermediul acestora se selectează modalitatea de reprezentare a moleculei optimă, cea care surprinde cel mai bine particularitățile structurale și funcționale de interes. Se pot astfel genera modele al moleculei în care sunt vizibile fie suprafața moleculară, fie atomii și legăturile covalente, fie principalele elemente ale structurii secundare într-un format standardizat (cartoons) sau orice combinație dintre aceste modele. În cazuri specifice, modelul trebuie modificat pentru a-i mări rigiditatea și pentru a-l face mai ușor de fabricat cu ajutorul imprimantelor 3D prin adăugarea unor elemente structurale suplimentare.

Exportarea modelului computerizat într-un format convenabil

După stabilirea modului de reprezentare modelul computerizat, întreaga moleculă se exportă într-un format pe care programele software de control a imprimantelor 3D îl pot înțelege. Cel mai frecvent, acesta este un fișier .stl sau .3mf.

Editarea modelului computerizat

Este o etapă facultativă, necesară în cazul modelelor care conțin mai multe componente. Pentru a asamblare facilă, cel mai frecvent aceste modele necesită crearea unor pini de aliniere, spații pentru șuruburi/piulițe sau a unor locașuri pentru magneți.

Exemplu de model prevăzut cu locașuri pentru magneți pentru o asamblare/dezasamblare facilă.

Detalii suplimentare

Generarea modelului computerizat al moleculei reprezintă o etapă cheie, de care depinde atât reușita fabricării modelului fizic prin imprimare 3D, cât și succesul său ca material demonstrativ. Informații semnificativ mai detaliate despre procesul de generare a fișierelor .stl cu modele moleculare imprimabile 3D sunt la dispoziție în următoarele 2 articole:

  • Mihasan, M. A beginner’s guideline for low-cost 3D printing of macromolecules usable for teaching and demonstration. Biochem Mol Biol Educ. 2021; 49: 521– 528. https://doi.org/10.1002/bmb.21493
  • Da Veiga Beltrame, E., Tyrwhitt-Drake, J., Roy, I., Shalaby, R., Suckale, J., Pomeranz Krummel, D. 3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy. J. Vis. Exp. 2017; 121: e55427, https://dx.doi.org/10.3791/55427