- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -
Итак, мода на 3D-печать докатилась и до нашего скромного заведения, гордо называемого Laboratory of Molecular Biology [1]. Пару недель назад мастерские купили 3D-принтер, чем инициировали бурную дискуссию среди учёных-биологов — чем новая штука может быть полезна. Физиологи, например, уже собрались печатать какие-то сложные детали для нового механизма, призванного тестировать всякие поведенческие реакции у крыс. Мы же занимаемся определением трёхмерной структуры белка [2] методом рентгеноструктурного анализа (и, с некоторых пор, крио-электронной микроскопией) и для нас польза от 3D-печати не столь очевидна. Соответственно, мы порылись в интернете чтобы понять, что народ в плане белковых структур печатает. Получившийся обзорчик с красивыми картинками и видео напечатанных моделей — под катом.
Как справедливо заметил больше ста лет назад товарищ Фридрих Энгельс, «жизнь есть способ существования белковых тел». То есть наши тела в значительной мере из белка сделаны и белки выполняют важнейшие функции в нашем организме — структурную (форма клеток держится на белковом цитоскелете), моторную (мышцы сокращаются благодаря хитрой работе моторных белков), ферментативную (скажем, еда переваривается благодаря белкам-ферментам), транспортную (кислород из лёгких к тканям таскает белок гемоглобин) и так далее; словом, без белка — никуда.
Соответственно, очень интересно узнать, как белки работают. С точки зрения биохимика, белок — это такой чёрный ящик. Можно давать ему разные вещества на вход и потом смотреть, что получится на выходе (с какой скоростью и тд). Определение же трёхмерной структуры молекулы белка в каком-то смысле открывает этот чёрный ящик, структура белка — это схема того, как чёрный ящик устроен внутри. Не всегда из структуры удаётся сразу понять, как белок работает, но структура, безусловно, открывает нам глаза и позволяет планировать дальнейшие эксперименты.
Белок — это очень большая молекула (макромолекула). С химической точки зрения, это — линейный полимер, длиной от 70 до более чем 1000 мономеров-аминокислот. Благодаря разным боковым группам аминокислот длинная молекула белка сворачивается в компактную глобулу, для каждого белка характерна своя укладка. Именно структуру свёрнутого белка учёные и определяют. Ведущим методом является рентгеноструктурный анализ, позволяющий рассчитать координаты атомов белка по дифракции рентгеновского излучения на кристалле соответствующего белка. У учёных-кристаллографов действует конвенция — любая определённая структура белка должна выкладываться в Банк Данных Белковых Структур (PDB, Protein Data Bank [3]), в котором количество структур уже перевалило за 100 000. Соответственно, все структуры находятся в публичном доступе, их можно скачивать, рассматривать, печатать на 3D-принтере и так далее. Подробнее о структурах белка я писал на Хабре ранее; в более развёрнутом виде про структуры можно почитать здесь [2].
Нужно отметить, что задача отображения структуры белка не такая простая. Белок состоит из нескольких тысяч атомов, которые, на первый взгляд, кажутся жуткой кашей («а» и «в» на картинке). Для разных задач используются разные отображения. Например, если мы хотим понять, как уложена основная цепь белка, то мы хотим отобразить белок в схематичном виде, где будет указан только ход основной цепи («г» на картинке) с использованием специальных обозначений — спирали для обозначения альфа-спиралей, стрелки для обозначения бета-складчатых листов («д», «е» на картинке).
Если мы хотим увидеть белок, как объёмное тело, то можем отобразить поверхность белка (тогда он становится похож на картошку); поверхность можно раскрасить с использованием разных параметров. Самое полезное — раскрасить по электростатическому потенциалу, тогда сразу будет видно заряженные области.
Если же мы хотим понять, как с нашим белком связывается молекула лекарства или химический субстрат, то отображаем только малую часть белка — активный центр фермента, малое количество ключевых аминокислот, непосредственно с лекарством взаимодействующих.
Для начала — несколько занимательных видео.
Вот очень наглядная демонстрация того, как много молекул белка актина [4] собираются в так называемые «актиновые филаменты», которые образуют цитоскелет, на котором держится вся форма наших клеток, плюс в мышцах он тоже работает. Отдельные молекулы актина напечатаны на 3D-принтере, поверхность раскрашена по электростатическому потенциалу.
Вот нечто покруче: молекула гемоглобина [5], переносящего кислород в нашем организме (эритроциты набиты этим белком). Гемоглобин состоит из четырёх субъединиц (отдельных молекул белка), плюс с гемоглобином связывается малая молекула гема, несущая атом железа, который и связывает кислород. В изготовлении этой модели использован более сложный тех. процесс и в результате прозрачная внешняя поверхность отображает реальную поверхность молекулы белка, а внутри, под прозрачным внешним слоем, видны разноцветные альфа-спирали и прочие элементы вторичной структуры, наглядно показывающие ход основной цепи белка. На видео показана сборка целого гемоглобина из четырёх субъединиц, субъединицы крепятся на магнитах. В самом конце на место засовывается малая молекула гема.
Вот ещё одно видео той же модели, здесь на ней лучше видна вторичная структура и показано, как опускание модели в воду позволяет видеть вторичную структуру более контрастно. Ещё одно отличие — у этой модели внешний слой белка не просто прозрачен, как в прошлом варианте, а к тому же слегка подкрашен электростатическим потенциалом:
Эти видео взяты с канала японского энтузиаста 3D-печати белка Kawakami Masaru, больше видео с разными напечатанными структурами белка можно найти здесь:
http://www.youtube.com/channel/UCsrgChR36VUMVy8GejyuD0Q/videos [6]
Разумеется, ушлые бизнесмены не могли не подхватить идею и производство молекулярной красоты уже поставлена на поток: такие познавательные структуры белка уже можно купить [7].
Опять же, если вы хотите напечатать свой белок, для этого не обязательно покупать 3D-принтер. Уже есть достаточное количество компаний, продающих как готовые наборы (например, трехмерные модели ДНК), так и выполняющие печать любого белка на заказ. Например, 3D Molecular Designs [8].
К вопросу о бизнесе: помимо собственно 3D-печати, уже давно существуют компании, готовые напечатать трехмерную структуру вашего любимого белка в прозрачном кристалле [9]. Идея вполне пользуется спросом у структурных биологов: например, подобный кристалл подарил шеф одной моей знакомой после того, как она определила первую в своей жизни структуру белка. Научная ценность такого кристалла стремится к нулю, но выглядит очень красиво и эстетично.
Если кто-то думает, что это всё шуточки и баловство — вовсе нет. Всю серьезность ситуации показывает недавно запущенный репозиторий готовых 3D-моделей от американского NIH [10] — National Institutes of Health в коллаборации с National Library of Medicine (это серьёзнейшие структуры, входящие в состав Департамента Здравоохранения США). Помимо структур белков высокого (рентгеновская кристаллография) и низкого разрешений (крио-электронная микроскопия), в репозитории видны и модели подставок под пробирки и прочих лабораторных мелочей. Репозиторий создан, насколько я понимаю, для улучшения внутреннего обмена моделями в NIH. Сейчас в нём 452 модели.
Если вас вдохновили приведённые выше картинки и есть доступ к 3D-принтеру, то напечатать самому структуру белка достаточно легко. В интернетах есть много пошаговых инструкций, вот две самые толковые и подробные:
http://www.instructables.com/id/3D-Print-a-Protein-Modeling-a-Molecular-Machine/?ALLSTEPS [11]
http://www.over-engineered.com/projects/3d-printed-protein [12]
Если вкратце, то вначале необходимо установить одну из программ для отображения белковых структур [13]. Затем — найти структуру для печати. Все структуры находятся в Protein Data Bank [3], там есть поиск по ключевым словам. Помимо поиска, у них есть дивный проект «Молекула Месяца» [14] — они выбирают некий белок и подробно рассказывают о его структуре и функции для широкой аудитории непрофессионалов. Главная страничка проекта выглядит устрашающе из-за обилия непонятных названий белков, но если начать щёлкать по ссылкам, там будут красивые картинки и понятные описания работы и структуры того или иного белка. Надеюсь, эта информация поможет выбрать белок для печати.
После загрузки структуры (в Protein Data Bank есть замечательная кнопочка «Download files») и её отображения в соответствующей программе, надо выбрать, в каком виде хотите молекулу напечатать. В приведенных выше инструкциях предлагается отобразить белок в виде поверхности, окрашенной по электростатическому потенциалу, экспортировать поверхность, конвертировать её в формат для печати и — voila! Похожую на картофелину объёмную модель белка печатать, действительно, легко.
Однако было бы интересно напечатать и, скажем, схематичное отображение основной цепи белка, примерно вот так (тут, насколько я вижу, комплекс белка и ДНК):
Единственно, такая скелетная структура белка может оказаться хрупкой. Для подобной печати рекомендуют использовать программу для отображения структур белка Chimera [15], так как она умеет напрямую экспортировать .stl-файлы, понимаемые большинством 3D-принтеров. Соответственно, любой выбранный вами вид молекулы в Chimera спокойно экспортируется и может быть напечатан, включая скелетное представление. Вот коротенькая видео-презентация, немного объясняющая этот процесс:
Как мы только что убедились, народ активно печатает структуры белка. Открытым остаётся вопрос: для чего они это делают? Пока единственный ответ — в образовательных, демонстрационных, учебных целях. Белки — сложные трёхмерные объекты и возможность подержать такую «молекулу» в руке, безусловно, способствует пониманию того, как белок устроен и работает. Плюс, многие белки просто визуально красивы. Печать скелетной структуры белка может быть достаточно серьёзным техническим вызовом, а затем — впечатляющей демонстрации возможностей 3D-печати. Так что, если у вас есть 3D-принтер, свободное время и энтузиазм… Вы знаете, что делать!
Эта красавица — рибосома [16].
Автор: OlegKovalevskiy
Источник [17]
Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru
Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/3d-pechat/70962
Ссылки в тексте:
[1] Laboratory of Molecular Biology: http://en.wikipedia.org/wiki/Laboratory_of_Molecular_Biology
[2] трёхмерной структуры белка: http://habrahabr.ru/post/181850/
[3] PDB, Protein Data Bank: http://www.pdb.org/pdb/home/home.do
[4] актина: https://ru.wikipedia.org/wiki/Актин
[5] гемоглобина: https://ru.wikipedia.org/wiki/Гемоглобин
[6] http://www.youtube.com/channel/UCsrgChR36VUMVy8GejyuD0Q/videos: http://www.youtube.com/channel/UCsrgChR36VUMVy8GejyuD0Q/videos
[7] уже можно купить: http://biologicmodels.com/protein-models/oxygenated-hemoglobin-hb/
[8] 3D Molecular Designs: http://www.3dmoleculardesigns.com/3DMD.htm
[9] напечатать трехмерную структуру вашего любимого белка в прозрачном кристалле: http://www.crystalprotein.com
[10] репозиторий готовых 3D-моделей от американского NIH: http://3dprint.nih.gov/discover
[11] http://www.instructables.com/id/3D-Print-a-Protein-Modeling-a-Molecular-Machine/?ALLSTEPS: http://www.instructables.com/id/3D-Print-a-Protein-Modeling-a-Molecular-Machine/?ALLSTEPS
[12] http://www.over-engineered.com/projects/3d-printed-protein: http://www.over-engineered.com/projects/3d-printed-protein
[13] отображения белковых структур: http://en.wikipedia.org/wiki/Software_for_protein_structure_visualization
[14] «Молекула Месяца»: http://www.pdb.org/pdb/101/motm_archive.do
[15] Chimera: https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/
[16] рибосома: https://ru.wikipedia.org/wiki/Рибосома
[17] Источник: http://habrahabr.ru/post/238451/
Нажмите здесь для печати.