3-D 打印蛋白质翻译核心组件在生命科学中的应用*

周兆丽，吴佩洋，沈园园，廖 雪，曹家翊，郑昊旸，宋佳烨，李 萍1，*

（1.上海健康医学院 分子影像重点实验室，上海201318；2.上海健康医学院 药学院，上海201318；3.上海健康医学院 医疗器械学院，上海201318）

3-D 打印（Three-dimensional Printing），又名为增材制造（Additive Manufacturing，AM），是基于计算机辅助设计的数字模型逐层构建实体物品对象的一项新技术[1]。3-D 打印应用于包括工业制造、航天航空、建筑、艺术设计、医学、药学等在内的多个领域，被誉为将引领“第三次工业革命”的关键技术之一，是“中国制造2025”的重点支柱[2-4]。3-D 打印诞生于二十世纪八十年代，最初仅限于制造业，后来与数字化技术结合后开始向医学、药学领域发展，可以实现对人体组织胚胎学、病理解剖学等复杂教学模型的精确实体制造，可以制造保持生物活性的细胞、组织器官用于再生医学、医药学试验研究[5-9]。个性化制造是3-D 打印技术制作的突出优势之一，3-D 打印可以将抽象的医学知识转化成直观、形象的实体模型[10-13]。然而，目前的3-D 打印，应用多停留于有实体模型、宏观大体可见的组织器官水平，对微观分子世界，分子结构及生命活动的显示，较少见。

基于上述，本研究拟就蛋白质翻译过程这一生命科学重要核心分子生化活动，运用3-D 打印技术，以核糖体、核酸、氨基酸为基本元素，使用3ds Max 等软件建模，构造3-D 模型，使用Cura 生成可打印的Gcode 格式文件，进行3-D 打印，利用打印后的各组件，将微观世界蛋白质的生物合成可视化，推进应用3-D 打印翻译核心组件的“乐高式”模具在生命科学中的应用。

1 材料与方法

1.1 辅助软件（3ds Max）制作过程

通过3ds Max 建立一个三维蛋白质翻译过程，将核糖体、核酸、氨基酸、作用于蛋白质翻译过程的氨基糖苷类小分子药物的形状、尺寸、场景等进行建立，调整参数，也可为模型附上特定的材质、以及静态或动态的制作。制作过程之中参数严格化，并进行渲染，调整整体气氛效果，如色彩、比例等，使制作模型的具有良好的感官效果。

图1 tRNA 及其反密码子参数设置

1.2 辅助软件（Cura）生成可打印的Gcode 格式文件

被称为3-D 打印软件的标准切片软件，Cura 可以兼容大部分3-D 打印机，并且其代码完全开源，可以通过插件进行扩展，制作原型设计，获得专业级的渲染效果。将通过3ds Max 建立的三维蛋白质翻译场景，核糖体、核酸、氨基酸等元素组件，调整参数，为模型附上特定的材质、以及静态或动态的制作。将3ds Max 生成的stl 或者obj 格式文件导入Cura 软件，生成Gcode 格式的可打印文件，预览真实模型的仿真效果。

1.3 3-D 打印及“乐高式”生命科学事件展示

采用乐彩牌的3D 打印机，为“Repetier-Host”软件安装上驱动软件，为操作乐彩3D 打印机做好必要准备后执行打印。将Cura 软件通过USB 连接电脑端直接控制3D 打印机，选择适宜比例的胶水和粉末，达到理想的固化反应速度，打印出模型。将模具以乐高式展示效果，传递生命科学领域分子事件。

2 结果

3ds Max 制作tRNA 参与蛋白质翻译过程机制效果包括：3D 模型制作、供3D 打印机使用的可打印文件制作。

3D 模型制作：

tRNA 是由核苷酸折叠而成“三叶草”形状的分子，它必须与细胞质内游离的氨基酸以共价键的形式结合。图1 为tRNA，其中球状是氨基酸，它的参数半径为6.0mm，分段32，颜色采用紫色。图2 中三个圆柱体是tRNA 上的反密码子，它的参数半径为3.0mm，高度15mm，高度分段5，端面分段1，边数18。图3 中长方体是mRNA，它的参数长度8mm、宽度300mm、高度5mm。mRNA 上的圆柱体是密码子codon，其参数与反密码子相同。图4 为tRNA上的反密码子扫描5' 端mRNA 直到遇到起始密码子（AUG）处根据碱基互补配对（A-U，G-C）原则开始翻译。

3 可打印文件制作与3-D 打印，及“乐高式”模具组装

图2 mRNA 参数设置与tRNA 上的反密码子扫描

3ds Max 模型导出为STL 或OBJ 格式的文件，导入Cura（4.0.0 版本）后，没有颜色信息，这是因为STL 文件用三角形网格来表现3D CAD 模型，只能描述三维物体的几何信息，不支持颜色材质等信息。见图3。点击“Basic”菜单，进行打印参数最基本的数据设置，见图4。包括：底层厚0.1mm、壁厚0.8mm、顶部或底部0.8mm、填充率80%、打印速度70mm/s、打印温度200℃、模型底部的厚度都要加厚到1.2mm 等一系列的参数，根据材料、机型等需要设置不同的打印参考数据。设置更改打印参数，如PLA 的打印温度一般为200℃，现在要打印ABS 材料，则将温度设置为230℃即可。再使用精确尺寸来设置模型大小，见图5。这里的改变就是精确的，精确度可以到千分位。如现在将模型的的Y 轴改为尺寸大小为106.3326mm。设置好模型后，接下来就是模型的格式导出，保存文件的格式可以为gcode、stl 或者obj 格式等。我们选用gcode 的格式，见图5。采用乐彩牌的3D 打印机，将Cura 软件连接于电脑端控制3D 打印机，选择适宜比例的胶水和粉末，达到理想的固化反应速度，打印出模型，组装后很好的动态式还原翻译过程。

4 讨论

图3 3ds Max 模型导出为STL 或OBJ 格式的文件，导入Cura

图4 Cura 打印参数最基本的数据设置

本研究使用3ds Max、等软件建模，构造3-D 模型，使用Cura 生成可打印的Gcode 格式文件，3-D 打印蛋白质翻译过程基本组件，mRNA，tRNA，核糖体，以“乐高式”模式，展示生命科学领域的核糖体沿着mRNA 信使移动，核糖体E、P、A 位的移动变化，携带不同氨基酸或者短肽链tRNA 及空载tRNA，多肽链延伸等，有最为直接的形象展示效果。本研究就核糖体、mRNA，tRNA 等结构的三维建模，采用的是目前较广为接受的示意结构，并非完全仿真。曾有研究报道采用3-D 打印拼图式构建蛋白质-DNA 的互作[15]，以及DNA，tRNA 结构的3-D 打印[16]，这将是本研究团队继续学习跟进的方向。2016年在Cell，Science 等顶级杂志上有关于mRNA 翻译的实时动态成像研究，以及翻译动力学研究的一系列报道[17-20]，这些将是我们很好的工作基础，我们将进一步的以核酸碱基、氨基酸为基本要素，跟进自然科学的进展报道设置结构参数，高仿真模拟蛋白质翻译过程。3-D 打印的个性化特点为实现真实化展现微观分子，及分子间的动态互作，提供极好的技术保证。

图5 Cura 设置模型大小及其导出的gcode 格式文件

5 结束语

随着以电子计算机的发明和应用为主要标志、核心的第三次科技革命的到来，3-D 打印在医药领域的个性化应用，将更加体现“科技改变生活”。结合书本上的理论知识开发3-D 打印，扩大其应用于生命科学微观分子生化活动的形象化展示，有着重要的科技创新应用意义。