Publicația industriei regionale de IT & outsourcing

Fabricarea de modele macromoleculare educative 3D – un ghid pentru începători  

Fabricarea-de-modele-macromoleculare-educative-3D-pinmagazine

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

Distribuie și tu:

Norii negri și zorii trandafirii

Citește articolul scris de Varujan Pambuccian pentru PIN magazine despre Impactul Inteligenței Artificiale asupra programatorilor și a societății digitale.

RECOMANDATE

Articole similare

Ghid-practic-de-adecvare-la-o-lume-nebună-pinmagazine

Ghid practic de adecvare la o lume nebună

Nu ești destul de bun. Nici n-ai să fii vreodată. Mereu e cineva într-o poziție superioară, plătit mai bine, cu skill-uri la care doar visezi. Tu de ce nu ești ca ei? Gândul te macină. A apărut deja o nouă tehnologie, alte tool-uri. Nu le știi? Poate deja ai devenit nerelevant. Managerii, colegii văd și te evaluează. Mereu e cineva care face asta. Și cel mai dur evaluator ești chiar tu. Poate nu ții pasul, poate te faci de râs. Oare nu cumva și ce ai obținut până acum e fără merite? Senzația imposturii e o piatră grea.

Invest-in-Moonicorns-pinmagazine

Growceanu organizează “Invest in Moonicorns”, pentru investitorii business angel în Europa Centrală și de Est

Platforma de business angels Growceanu organizează în 27-28 octombrie „Invest in Moonicorns – The Art of Angel Investment”, un eveniment care vizează să devină cel mai important loc de întâlnire pentru investitorii business angel în Europa Centrală și de Est. Evenimentul va avea loc la Timișoara, la centrul Faber și se adresează investitorilor de tip business angel, precum și persoanelor cu venituri foarte mari sau avere de peste un milion de dolari.

DRUID, pinmagazine

DRUID atrage 30 de milioane de dolari ca parte a rundei de finanțare Seria B pentru a îmbunătăți productivitatea organizațiilor prin aplicații conversaționale și inteligență artificială generativă

 DRUID, lider global în tehnologie de inteligență artificială conversațională, a anunțat astăzi atragerea rundei de finanțare Seria B de 30 de milioane de dolari condusă de TQ Ventures, cu participarea a noi investitori Smedvig Capital, Endeavour și Verve Ventures și a investitorilor existenți GapMinder, Hoxton Ventures și Karma Ventures.