Legătura dintre structura și funcția biomoleculelor este unul dintre conceptele cheie din biochimie, biologie moleculară și din științele vieții în general. Modelele fizice ale moleculelor oferă studenților posibilitatea de a manipula aceste structuri în spațiul tridimensional, permițând dezvoltarea unui simț al spațialității și îmbunătățind înțelegerea un aspecte importante precum dimensiunea și forma atomilor, dimensiunea legăturilor și simetria moleculelor.
Câteva sisteme de reprezentare a moleculelor în spațiul fizic sunt disponibile, cel mai frecvent orientate spre a reprezenta o clasă specifică de molecule (acizi nucleici, lipide, molecule mici) sau chiar o anume macromoleculă de interes (anticorpii de exemplu). Aceste sisteme nu au însă flexibilitatea necesară pentru a permite aplicarea lor pentru toate moleculele din lumea vie. Fabricarea folosind imprimantele 3D ar putea să ofere o asemenea soluție universală, putând fi utilizată pentru a crea modele fizice ale unor structuri moleculare specifice, funcție de necesitățile și cunoștintele cadrului didactic.
Unul dintre conceptul cheie din biochimie, biologie moleculară și din științele vieții în general este legătura dintre structura și funcția biomoleculelor. Elevii și studenții intră în contact cu formulele moleculare la disciplinele de chimie sub forma formulelor chimice 2D. Utilitatea acestora este de netăgăduit, însă aceste reprezentări sunt cel mai frecvent recepționate de studenți și elevi ca simple desene. Aspecte importante precum dimensiunea și forma atomilor, dimensiunea și forma legăturilor chimice și în general simțul dimensionalității și al spațialității sunt pierdute. Datorită complexității proteinelor și acizilor nucleici, aceste aspecte sunt în special importante pentru aceste molecule esențiale pentru viață.
O soluție ușor de aplicat: fabricarea modelelor macromoleculare folosind imprimantele 3D
Imprimantele 3D tip FDM funcționează prin depunerea strat după strat a unui termoplastic topit. Straturile consecutive aderă unul la celălalt la răcire și reconstituie astfel obiectul solid 3D. Fiecare nou strat trebuie să fie depozitat pe un strat pre-existent. Din acest motiv obiectele ce vor fi fabricate folosind imprimante FDM sunt în general create și orientate în așa fel încât surplombele și unghiurile ascuțite să fie reduse la minim. Structurile macromoleculare, însă, abundă în cavități și protuberanțe sau în atomi, legături sau alte componente ce încep din aer, fără o bază solidă. Soluția pentru această problemă este introducerea așa numitului material suport. Într-o etapă premercătoare fabricării propriu-zise, pachetul software utilizat pentru pregătirea instrucțiunilor de tipărire și pentru controlul imprimantei creează în mod automat structuri suport care pornesc de pe patul de tipărite și pe care se vor sprijini surplombele. Acest lucru crește simțitor timpul necesar fabricării și costul materialelor, iar materialul suport este frecvent dificil de eliminat post-fabricare. Cu toate aceste dezavantaje, utilizarea materialului suport este obligatoriu pentru fabricarea modelelor complexe precum cele ale macromoleculelor biologice.
În principiu, structura oricărei macromolecule biologice cunmoscute poate fi descărcată din baza de date RCSB Protein Data Bank (www.rcsb.org) sub forma unor fisiere .pdb. Programul Chimera permite vizualizarea acestor fișiere și pregătirea modelului tridmensional ce va fi tipărit. În Chimera se pot combina diverse modalități de vizualizare a macromoleculelor, funcție de necesitățile specifice ale utilizatorului/cadrului didactic. De exemplu, modul de vizualizare „cartoons” este ideal pentru a pune în evidență structura terțiară a proteinelor, pe când aminoacizii catalitici sau substratele enzimatice pot fi reprezentați ca bile.
Fiecare tip de reprezentare necesită diverse setări în Chimera și la tipărire pentru ca obiectul fizic final să fie rezistent și fabricat cu un consum minim de plastic. De asemenea, aceste setări depind de scala de fabricare – dimensiunile finale a obiectului tipărit. Din acest motiv, unul dintre primele decizii ce trebuie luate când se dorește fabricarea unui model macromolecular este scala la care se va tipări.
Experiența autorului în utilizarea modelelor macromoleculare fabricate folosind imprimante 3D
Modele prezentate sunt utilizate de către autor pentru a preda aspecte de biologie structurală la ciclul de Licență și Master. Cursurile în care sunt utilizate se desfășoară la Facultatea de Biologie, Universitatea Alexandru Ioan Cuza din Iași. Modelele sunt utilizate după ce studenții au intrat în contact cu modele atomice precum Molymod. Modele 3D sunt înmânate studenților și acestora li se cere să observe și să comenteze despre particularități structurale specifice.
Pe măsură ce studenții manipulează modelele, educatorul afișează de asemenea aceleași modele folosind programul PyMol și un videoproiector pentru a ajuta studenții să identifice orientarea și unghiul specific în acre o anumită particularitate structurală este evidențiată. În general, studenții sunt interesați în egală măsură atât de modelele în sine, cât și de tehnologia prin care au fost fabricate.
Autor: Marius Mihășan, Prof. Dr. Abilitat, Grupul de Cercetare BioActive, Laboratorul de Biochimie și Biologie Moleculară, Sala B228, Universitatea Alexandru Ioan Cuza din Iași, Facultatea de Biologie, B-vdul Carol I, nr 20A, Iași, Romania, 700506
