3-D 打印蛋白質(zhì)翻譯核心組件在生命科學中的應(yīng)用*

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(shè)計的數(shù)字模型逐層構(gòu)建實體物品對象的一項新技術(shù)[1]。3-D 打印應(yīng)用于包括工業(yè)制造、航天航空、建筑、藝術(shù)設(shè)計、醫(yī)學、藥學等在內(nèi)的多個領(lǐng)域，被譽為將引領(lǐng)“第三次工業(yè)革命”的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)結(jié)合后開始向醫(yī)學、藥學領(lǐng)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(shù)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(zhuǎn)化成直觀、形象的實體模型[10-13]。然而，目前的3-D 打印，應(yīng)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(jié)構(gòu)及生命活動的顯示，較少見。

基于上述，本研究擬就蛋白質(zhì)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(shù)，以核糖體、核酸、氨基酸為基本元素，使用3ds Max 等軟件建模，構(gòu)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(zhì)的生物合成可視化，推進應(yīng)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(yīng)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(zhì)翻譯過程，將核糖體、核酸、氨基酸、作用于蛋白質(zhì)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(diào)整參數(shù)，也可為模型附上特定的材質(zhì)、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(diào)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(shè)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(shè)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(zhì)翻譯場景，核糖體、核酸、氨基酸等元素組件，調(diào)整參數(shù)，為模型附上特定的材質(zhì)、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(yù)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(qū)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(yīng)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(lǐng)域分子事件。

2 結(jié)果

3ds Max 制作tRNA 參與蛋白質(zhì)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(zhì)內(nèi)游離的氨基酸以共價鍵的形式結(jié)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(shè)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(wǎng)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(zhì)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(shè)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(shè)置不同的打印參考數(shù)據(jù)。設(shè)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(shè)置為230℃即可。再使用精確尺寸來設(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)置

本研究使用3ds Max、等軟件建模，構(gòu)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(zhì)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(lǐng)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(jié)構(gòu)的三維建模，采用的是目前較廣為接受的示意結(jié)構(gòu)，并非完全仿真。曾有研究報道采用3-D 打印拼圖式構(gòu)建蛋白質(zhì)-DNA 的互作[15]，以及DNA，tRNA 結(jié)構(gòu)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(guān)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(chǔ)，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(shè)置結(jié)構(gòu)參數(shù)，高仿真模擬蛋白質(zhì)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(shù)保證。

圖5 Cura 設(shè)置模型大小及其導出的gcode 格式文件

5 結(jié)束語

隨著以電子計算機的發(fā)明和應(yīng)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(lǐng)域的個性化應(yīng)用，將更加體現(xiàn)“科技改變生活”。結(jié)合書本上的理論知識開發(fā)3-D 打印，擴大其應(yīng)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(yīng)用意義。