3D-печать моделей молекул белка

Итак, мода на 3D-печать докатилась и до нашего скромного заведения, гордо называемого Laboratory of Molecular Biology. 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 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.

Кратко о белковых структурах

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), 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.

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.

Напечатанные структуры белка

Для начала — несколько занимательных видео.

Вот очень наглядная демонстрация того, как много молекул белка актина 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, 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:
//www.youtube.com/channel/UCsrgChR36VUMVy8GejyuD0Q/videos

Разумеется, ушлые бизнесмены не могли не подхватить идею и производство молекулярной красоты уже поставлена на поток: такие познавательные структуры белка уже можно купить.

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.

К вопросу о бизнесе: помимо собственно 3D-печати, уже давно существуют компании, готовые напечатать трехмерную структуру вашего любимого белка в прозрачном кристалле. 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 — 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.

Как самому напечатать структуру белка

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
http://www.over-engineered.com/projects/3d-printed-protein

Если вкратце, то вначале необходимо установить одну из программ для отображения белковых структур. Затем — найти структуру для печати. Все структуры находятся в Protein Data Bank, там есть поиск по ключевым словам. Помимо поиска, у них есть дивный проект «Молекула Месяца» — 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, 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:

Заключение (или нафига козе баян)

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.

Источник: habrahabr.ru/post/238451/