JP2010197419A - Molecular model of protein molecule, and method for manufacturing the same - Google Patents

Molecular model of protein molecule, and method for manufacturing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a molecular model enabling a user to simultaneously observe a molecule surface shape and an inner-molecule main-chain/side-chain structure of a protein molecule by using a three-dimensional molding device such as a 3D printer. <P>SOLUTION: On the basis of three-dimensional coordinates of an atom constituting protein obtained from a protein structure database, a molecule inner structure model and a molecule surface structure model adjusted to be the same reduction scale as that of the molecule inner structure model are prepared and, further, on the basis of the three-dimensional shape data of the molecule surface structure model, a mold model is prepared (step S1-S5). Molding input data created by arranging the molecule inner structure model in the mold model at a corresponding position and in a corresponding orientation is input to the three-dimensional molding device, and the molecule inner structure and the mold are integrally shaped (step S6, S7). A transparent resin is filled and cured in the shaped mold to form the molecule surface structure (step S8). By removing the mold (step S9) after the transparent resin is cured, the molecule model 100 is completed. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、タンパク質等の立体構造を表現した分子模型及びその作製方法に関するものである。   The present invention relates to a molecular model expressing a three-dimensional structure of a protein or the like and a method for producing the same.

現在、タンパク質の立体構造からその機能を解析する構造生物学の研究が盛んにおこなわれている。構造生物学分野の研究者にとって、分子の形を空間的に把握することは、その分子の機能の理解や推測、またターゲット化合物の探索に非常に重要である。   Currently, research on structural biology that analyzes the function from the three-dimensional structure of proteins is actively conducted. For researchers in the field of structural biology, understanding the shape of a molecule spatially is very important for understanding and inferring the function of the molecule and for searching for target compounds.

タンパク質の分子構造を立体的に把握する手法として、現在のところ、主にコンピュータ内に仮想的に分子の3次元画像モデルを構築し、その画像モデルをこのコンピュータのディスプレイ(2次元画面)上で様々な角度で回転させて表示させることでコンピュータ操作者は疑似的にこの分子の3次元情報を認識している。このようなタンパク質解析技術の立体構造表示を実現するソフトウェアは、有料又は無料にて入手可能であり、表示方法も解析対象物の性質や利用目的に応じて各種取り揃えられている(非特許文献1を参照)。   At present, as a method for three-dimensionally understanding the molecular structure of a protein, a virtual three-dimensional image model of a molecule is mainly constructed in a computer, and the image model is displayed on the computer display (two-dimensional screen). By rotating and displaying the images at various angles, the computer operator recognizes the three-dimensional information of the molecules in a pseudo manner. Software that realizes such a three-dimensional structure display of protein analysis technology is available for a fee or free of charge, and various display methods are available depending on the nature of the analysis object and the purpose of use (Non-patent Document 1). See).

しかしながら、従来技術のソフトウェアを利用して3次元の分子構造を認識するためには、絶えず画像モデルをマウスなどで回転させる必要があり、その回転操作も操作者の熟練を要する。さらに、ディスプレイ上で自ら認識した立体の分子イメージを他者へ伝えることも困難である。   However, in order to recognize the three-dimensional molecular structure using the software of the prior art, it is necessary to constantly rotate the image model with a mouse or the like, and the rotation operation also requires the skill of the operator. Furthermore, it is difficult to convey the three-dimensional molecular image recognized on the display to others.

さらに、より専門的な見地から言えば、従来のソフトウェアで表示させる画像は主にタンパク質の主鎖構造や、針金モデルなどといった「簡略化された」ものであるが、現実のタンパク質は主鎖、側鎖からなり、さらに主鎖構造はα−ヘリックスやβ−シートといった二次構造を形成する。これらの二次構造は相互に密にパッキングしつつ、隙間や、他の分子との相互作用のための「分子表面の構造」を形成するのである。つまり、分子内部の主鎖・側鎖の構造とともに分子表面の構造に関する三次元情報を同時に取得することが、タンパク質の酵素反応、分子認識などの機能の把握に非常に重要である。   Furthermore, from a more specialized point of view, the images displayed with conventional software are mainly “simplified” such as the main chain structure of the protein and the wire model, but the actual protein is the main chain, It consists of side chains, and the main chain structure forms secondary structures such as α-helix and β-sheet. These secondary structures are closely packed together, forming gaps and “molecular surface structures” for interaction with other molecules. In other words, obtaining three-dimensional information on the structure of the surface of the molecule as well as the structure of the main and side chains inside the molecule is very important for understanding the functions of protein enzymatic reactions and molecular recognition.

前述のソフトウェアではこれらの情報を直観的に捕らえることは非常に困難であり、最も直観的にこれらを把握するには、分子表面の形状を実際に触って確かめられ、かつ内部の主鎖や側鎖の立体的位置を把握できるような分子模型が最も望ましいが、これまでそうした分子模型を製作する技術は提案されていない。   It is very difficult to capture this information intuitively with the above-mentioned software. The most intuitive way to grasp this information is to check the shape of the molecular surface by actually touching it, and to check the inner main chain and side. A molecular model that can grasp the three-dimensional position of the chain is most desirable, but no technique for producing such a molecular model has been proposed so far.

近年、三次元(3D)プリンタという製品が上市されている。これによりコンピュータ内で仮想的に作成した立体構造物が高精度、高速かつ安価で試作できる環境となっている(非特許文献2を参照)。   In recent years, products called three-dimensional (3D) printers have been put on the market. As a result, an environment in which a three-dimensional structure virtually created in a computer can be prototyped with high accuracy, high speed, and low cost (see Non-Patent Document 2).

この3Dプリンタ装置を用いて、タンパク質の三次元模型を印刷(作製)し、販売するベンチャー企業も誕生している(非特許文献3を参照)。   There is also a venture company that uses this 3D printer device to print (manufacture) and sell a three-dimensional model of a protein (see Non-Patent Document 3).

しかし非特許文献3に開示された分子模型の製造方法は、おもに主鎖構造もしくは分子表面構造のみを立体的に造形したものであり、両者の構造を同時に実現(可視化)させることはできない。こうした造形上の問題に加え、実際に製造された模型は、タンパク質の微細構造を模擬しているため脆弱であり、その取扱いには細心の注意が必要となってしまい、研究者同士が模型を実際に手で触って、その細かな構造を把握または議論するといった目的には性質上決定的な欠点が存在している。加えて、上記のような従来の模型を多少歪ませて変形状態を確認するようなことは当然できない。   However, the method for producing a molecular model disclosed in Non-Patent Document 3 is mainly a three-dimensional model of a main chain structure or a molecular surface structure, and the structures of both cannot be realized (visualized) at the same time. In addition to these modeling problems, the actually manufactured model is fragile because it simulates the fine structure of the protein, and it requires careful attention to its handling. There is a definite defect in nature for the purpose of actually touching it and grasping or discussing its detailed structure. In addition, it is naturally impossible to confirm the deformation state by slightly distorting the conventional model as described above.

なお、その他の分子模型作製技術には特許文献1が開示されているが、この技術はプラスチックや発砲スチロールからなる球や多面体の原子部材と、この原子部材に連結するようにこの部材の差込口に挿入された金属製の針状部材とを備えた分子模型を作製するものであって、上記問題点の解決以前にそもそもタンパク質の微細構造を表現できる技術ではない。   In addition, Patent Document 1 is disclosed as another molecular model manufacturing technique, but this technique includes a spherical or polyhedral atomic member made of plastic or foamed polystyrene, and the insertion of this member to be connected to this atomic member. It is a technique for producing a molecular model including a metal needle-like member inserted in the mouth, and is not a technique that can express the fine structure of a protein before the solution of the above problems.

特開2004−309578号公報JP 2004-309578 A

木下 賢吾、外1名、“PDBjViewer(jV)”、[online]、日本蛋白質構造データバンク、[平成21年1月29日検索]、インターネット〈URL:http://www.pdbj.org/PDBjViewer/index_j.html〉Kengo Kinoshita, 1 other person, “PDBjViewer (jV)”, [online], Japan Protein Structure Data Bank, [Search January 29, 2009], Internet <URL: http://www.pdbj.org/PDBjViewer /index_j.html> “3D Printer Z Series”、[online]、株式会社DICO、[平成21年1月29日検索]、インターネット〈URL:http://www.di-co.jp/product/3d_printer/z_series/index.html〉“3D Printer Z Series”, [online], DICO Corporation, [searched on January 29, 2009], Internet <URL: http://www.di-co.jp/product/3d_printer/z_series/index. html> “3D Molecular Designs”、[online]、三次元分子設計有限責任会社(3D Molecular Designs LLC)、[平成21年1月29日検索]、インターネット〈URL:http://3dmoleculardesigns.com/〉“3D Molecular Designs”, [online], 3D Molecular Designs LLC (3D Molecular Designs LLC), [searched on January 29, 2009], Internet <URL: http://3dmoleculardesigns.com/>

そこで、本発明は、従来の問題点を解消し、3Dプリンタ等の三次元造形装置を用いてタンパク質分子の分子表面形状と分子内部の主鎖・側鎖構造とを同時に観測可能な分子模型及びその作製方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention solves the conventional problems, a molecular model capable of simultaneously observing the molecular surface shape of protein molecules and the main chain / side chain structure inside the molecule using a three-dimensional modeling apparatus such as a 3D printer, An object is to provide a manufacturing method thereof.

さらに、本発明は、3Dプリンタ等の三次元造形装置を用いて作製され、運搬や取扱いの上で強靭であり、かつ分子表面が適度な柔軟性を備えたタンパク質分子の分子模型及びその作製方法を提供することを目的とする。   Furthermore, the present invention provides a molecular model of a protein molecule that is produced using a three-dimensional modeling apparatus such as a 3D printer, is robust in transportation and handling, and has a suitable molecular surface flexibility, and a method for producing the same. The purpose is to provide.

本願の発明者は、鋭意検討の末、三次元造形装置に入力すべき三次元立体情報として分子表面構造と分子内部構造とを同時に付与することに着目し、(1)分子表面構造に対応する形状を有した鋳型モデルとこの鋳型モデル内部に設けられた分子内部構造モデルとを備えた分子模型モデルをまず構築して、この分子模型モデルの形状に基づいて三次元造形装置によって鋳型と分子内部構造とを備えた造形物を印刷し、(2)この造形物の鋳型と分子内部構造との空間(間隙)に透明な樹脂を投入・硬化させれば、透明樹脂からなる分子表面構造と、三次元造形装置によって造形された分子内部構造と、を兼ね備えた分子模型が作製できることを見出し、本発明を完成するに至った。   The inventor of the present application pays attention to simultaneously giving a molecular surface structure and a molecular internal structure as three-dimensional solid information to be input to the three-dimensional modeling apparatus after intensive study, and (1) corresponds to the molecular surface structure. First, a molecular model model including a template model having a shape and a molecular internal structure model provided inside the template model is first constructed, and the template and the molecule inside are analyzed by a three-dimensional modeling apparatus based on the shape of the molecular model model. When a model with a structure is printed, and (2) a transparent resin is charged and cured in the space (gap) between the mold of this model and the internal structure of the molecule, a molecular surface structure made of a transparent resin, It has been found that a molecular model having a molecular internal structure modeled by a three-dimensional modeling apparatus can be produced, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明の一形態におけるタンパク質分子の分子模型の作製方法は、
タンパク質の構成原子の三次元座標値を基に分子内部構造モデルを用意するステップと、
前記三次元座標値を基に前記分子内部構造モデルと同一の縮尺に調節された分子表面構造モデルを用意するステップと、
前記分子表面構造モデルの三次元形状データを基に鋳型モデルを用意するステップと、
前記三次元座標値に基づき前記鋳型モデル内に前記分子内部構造モデルを配置するステップと、
前記鋳型モデルと前記分子内部構造モデルとを三次元造形装置が認識可能なファイルフォーマットに変換して造形入力データとして三次元造形装置に入力するステップと、
前記三次元造形装置によって、前記造形入力データから分子内部構造と鋳型とを一体的に造形するステップと、
前記鋳型内に透明樹脂を充填し硬化させて分子表面構造を形成するステップと、
前記透明樹脂が硬化した後に、前記鋳型を除去するステップと、を備える。
That is, a method for producing a molecular model of a protein molecule in one embodiment of the present invention is as follows.
Preparing a molecular internal structure model based on the three-dimensional coordinate values of protein constituent atoms;
Preparing a molecular surface structure model adjusted to the same scale as the molecular internal structure model based on the three-dimensional coordinate values;
Preparing a template model based on the three-dimensional shape data of the molecular surface structure model;
Placing the molecular internal structure model in the template model based on the three-dimensional coordinate values;
Converting the template model and the molecular internal structure model into a file format recognizable by the 3D modeling apparatus and inputting it as modeling input data to the 3D modeling apparatus;
With the three-dimensional modeling apparatus, modeling the molecular internal structure and the mold integrally from the modeling input data;
Filling the mold with a transparent resin and curing to form a molecular surface structure;
Removing the mold after the transparent resin is cured.

さらに本発明の分子模型の作製方法は上記ステップに加え好ましくは、
前記鋳型モデル内に前記分子内部構造モデルを対応する位置と配向に配置するステップは、前記鋳型モデルと前記分子内部構造との間を結合する支持材モデルをさらに用意し、
前記造形ステップは、前記支持材モデルを含んだ造形入力データを基に前記分子内部構造と前記鋳型とともに両者を一体的に結合する支持材を造形し、
前記鋳型除去ステップは、前記鋳型とともに前記支持材を除去することを特徴とする。
In addition to the above steps, the molecular model production method of the present invention is preferably
The step of arranging the molecular internal structure model in the template model in a corresponding position and orientation further prepares a support material model for coupling between the template model and the molecular internal structure,
The modeling step models a support material that integrally couples the molecular internal structure and the mold together based on modeling input data including the support material model,
In the mold removing step, the support material is removed together with the mold.

さらに本発明の分子模型の作製方法は上記ステップに加え好ましくは、
前記鋳型モデルを用意するステップは、前記鋳型モデルを、鋳型本体部モデルと、鋳型蓋部モデルと、に分割するステップをさらに備え、
前記造形ステップは、前記鋳型本体部モデルと、前記鋳型蓋部モデルと、に基づいて開口部を備えた鋳型本体部と、該開口部に蓋をする鋳型蓋部と、を造形し、
前記鋳型本体部は、前記分子内部構造と一体的に造形され、
前記分子表面構造形成ステップは、前記開口部を通して前記鋳型本体部内に前記透明樹脂を充填し、前記鋳型蓋部によって前記開口部に蓋をした後に前記透明樹脂を硬化させることを特徴とする。
In addition to the above steps, the molecular model production method of the present invention is preferably
The step of preparing the mold model further comprises the step of dividing the mold model into a mold body part model and a mold lid part model,
The modeling step forms a mold body part having an opening based on the mold body part model and the mold lid part model, and a mold lid part that covers the opening part,
The mold body is molded integrally with the molecular internal structure,
In the molecular surface structure formation step, the transparent resin is filled into the mold body through the opening, and the transparent resin is cured after the opening is covered with the mold lid.

さらに本発明の分子模型の作製方法は上記ステップに加え好ましくは、
前記鋳型が薄膜状の構造物となることを特徴とする。
In addition to the above steps, the molecular model production method of the present invention is preferably
The mold is a thin film structure.

さらに本発明の分子模型の作製方法は上記ステップに加え好ましくは、
前記鋳型除去ステップの後に、前記分子表面構造の表面にクリスタルカラーの塗料で着色するステップをさらに備えることを特徴とする。
In addition to the above steps, the molecular model production method of the present invention is preferably
The method further comprises a step of coloring the surface of the molecular surface structure with a crystal color paint after the template removing step.

さらに本発明の分子模型の作製方法は上記ステップに加え好ましくは、
前記鋳型除去ステップの後に、前記分子模型にクリスタル造形処理を施して、前記分子模型に関連する情報を付与するステップをさらに備えることを特徴とする。
In addition to the above steps, the molecular model production method of the present invention is preferably
After the template removing step, the method further includes a step of applying a crystal modeling process to the molecular model to give information related to the molecular model.

また、上記の分子模型の作製方法によって本発明のタンパク質分子の分子模型が提供される。   Moreover, the molecular model of the protein molecule of the present invention is provided by the above-described method for preparing a molecular model.

ここで、「三次元造形装置」とは、物体の三次元立体情報に関する入力情報をもとに三次元の物体を造形する装置を意味し、例えば3Dプリンタ(粉末固着方式、紫外線硬化方式、熱溶解積層方式等の3Dプリンタを含む)やNC旋盤、3D切削RP(ラピッド・プロトタイピング)マシンが挙げられるが、必ずしもこれらに限定されない。   Here, the “three-dimensional modeling apparatus” means an apparatus that models a three-dimensional object based on input information relating to the three-dimensional solid information of the object. For example, a 3D printer (powder fixing method, ultraviolet curing method, heat curing method, (Including 3D printers such as melt lamination) and NC lathes and 3D cutting RP (rapid prototyping) machines, but are not necessarily limited thereto.

また、「分子内部構造モデル」、「分子表面構造モデル」、「鋳型モデル」、「支持材モデル」等の用語に用いられる「モデル」とは、コンピュータで認識可能な三次元立体情報(データ)であり、必要に応じて所定のコンピュータソフトウェアを用いてコンピュータ画面上の仮想空間に表示可能な情報である。これらのモデルは、所定のファイル形式に変換されて、三次元造形装置が各モデルに対応した実際の部材を造形するために必要な入力情報となる。   The term “model” used for terms such as “molecular internal structure model”, “molecular surface structure model”, “template model”, and “support material model” is three-dimensional solid information (data) that can be recognized by a computer. The information can be displayed in a virtual space on the computer screen using predetermined computer software as necessary. These models are converted into a predetermined file format and become input information necessary for the three-dimensional modeling apparatus to model an actual member corresponding to each model.

また、「透明樹脂」とは、硬化後に所定の塊になった際に透明体になり、内部が外部から確認可能な状態になる樹脂(透明性のある樹脂)を意味する。従って、懸濁色でありかつ硬化後に内部状態が確認不可能な樹脂は本発明に不向きである。なお、樹脂原料として、シリコン樹脂(PDMS)及びアクリル樹脂(PMMA)、またはアクリルアミド等のハイドロゲルが挙げられる。PDMSは適度な弾力性と良好な透明度を持つ点で好ましく、PMMAは高い透明性と硬度等の化学的安定性とを持ち、分子模型の長寿命化が図られる点で好ましい。また、ハイドロゲルは後述する分子模型浸漬のための溶媒に水を用いることができるために取扱いが容易であるという利点を持つ。   Further, the “transparent resin” means a resin (transparent resin) that becomes a transparent body when it becomes a predetermined lump after curing, and the inside can be confirmed from the outside. Therefore, a resin which is a suspended color and whose internal state cannot be confirmed after curing is not suitable for the present invention. Examples of the resin raw material include hydrogels such as silicon resin (PDMS) and acrylic resin (PMMA), or acrylamide. PDMS is preferable in terms of having moderate elasticity and good transparency, and PMMA is preferable in terms of having high transparency and chemical stability such as hardness and extending the life of the molecular model. Moreover, since hydrogel can use water for the solvent for molecular model immersion mentioned later, it has the advantage that handling is easy.

以上のような構成をなす本発明のタンパク質分子の分子模型及びその作製方法は、次のような顕著な効果を奏する。   The molecular model of the protein molecule of the present invention and the method for producing the same according to the present invention have the following remarkable effects.

本発明の分子模型の作製方法によれば、3Dプリンタ等の三次元造形装置を利用するために、高精度(3Dプリンタの工作精度に準じた0.1ミリ程度)かつ複雑な分子内部構造及び分子表面構造を備えた分子模型を容易に提供することが可能になる。   According to the method for producing a molecular model of the present invention, in order to use a three-dimensional modeling apparatus such as a 3D printer, a highly accurate (about 0.1 mm according to the working accuracy of a 3D printer) and a complicated molecular internal structure and It becomes possible to easily provide a molecular model having a molecular surface structure.

本発明の分子模型の作製方法によれば、タンパク質の分子内部構造と分子表面構造とを同一縮尺かつ対応する位置関係で同時に観察可能な分子模型を提供することができるだけでなく、それぞれの構造を弾力性のある材料で形成するため、それぞれの変形状態をも確認可能な分子模型を提供することができる。なお、両構造の変形状態を確認可能な分子模型は、基質や薬剤分子によるタンパク質のInduced fit(基質等が酵素タンパク質の活性中心部へ誘導適合される際に活性中心部の立体構造が変化する現象)や、タンパク質分子間相互作用の検討など、生命現象に重要な反応の考察に非常に有用である。   According to the method for producing a molecular model of the present invention, it is possible not only to provide a molecular model capable of simultaneously observing the molecular internal structure and the molecular surface structure of a protein at the same scale and in a corresponding positional relationship. Since it is made of an elastic material, it is possible to provide a molecular model that can confirm each deformation state. In addition, the molecular model that can confirm the deformation state of both structures is an induced fit of a protein by a substrate or a drug molecule (the three-dimensional structure of the active center changes when the substrate or the like is inductively matched to the active center of the enzyme protein) Phenomenon) and interaction between protein molecules, and so on.

本発明の分子模型の作製方法によれば、十分な構造強度(堅牢性)と弾力性とを兼ね備えた分子模型を提供することができるため、分子模型の取扱いに過度な注意を払う必要がない。   According to the method for producing a molecular model of the present invention, it is possible to provide a molecular model having both sufficient structural strength (robustness) and elasticity, so that it is not necessary to pay excessive attention to the handling of the molecular model. .

本発明の分子模型の作製方法によれば、分子表面構造の形成に必要な鋳型の材料を必要最低限の量だけ使用するだけでよく、三次元印刷コストの抑制や模型完成後の鋳型廃棄コストの抑制を図ることが可能になる。   According to the method for producing a molecular model of the present invention, it is only necessary to use a minimum amount of a template material necessary for forming a molecular surface structure, and it is possible to reduce the three-dimensional printing cost and the mold disposal cost after the model is completed. Can be suppressed.

本発明の分子模型100の作製方法を説明したフローチャートである。It is the flowchart explaining the preparation methods of the molecular model 100 of this invention. 本発明の分子模型100の作製方法を図式的に説明した図である。It is the figure which demonstrated schematically the preparation methods of the molecular model 100 of this invention. (a)分子内部構造モデル1、及び(b)分子表面構造モデル2の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of (a) molecular internal structure model 1 and (b) molecular surface structure model 2. FIG. (a)分子内部構造モデル1が設けられた鋳型モデル3、及び、(b)鋳型モデル3の断面状態の一例を示した図である。(A) Template model 3 provided with a molecular internal structure model 1, and (b) an example of a cross-sectional state of the template model 3. 3Dプリンタによって印刷された直後の分子模型100の鋳型30と分子内部構造10とを示す。The mold 30 and the molecular internal structure 10 of the molecular model 100 immediately after being printed by the 3D printer are shown. 本発明の分子模型100が溶媒中に浸漬された様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the molecular model 100 of this invention was immersed in the solvent.

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づき説明するが、本発明は、下記の具体的な実施形態に何等限定されるものではない。   Hereinafter, although the present invention is explained based on an embodiment shown in a drawing, the present invention is not limited to the following concrete embodiment at all.

[タンパク質の立体構造]
タンパク質の構造は一般に、X線結晶解析やNMRで決定された各構成原子の三次元座標値として表示可能である。タンパク質に関連した情報およびその立体構造情報を提供するデータベースとしては、プロテインデータバンク(Protein Data Bank,PDB)が知られており、このデータバンクには、各タンパク質の立体構造情報として、各タンパク質を構成する各原子の三次元座標値がテキストファイルとして格納(登録)されている。現時点でPDBに登録されているタンパク質等の原子座標データ数は5万を超えている。
[Protein structure]
In general, the structure of a protein can be displayed as a three-dimensional coordinate value of each constituent atom determined by X-ray crystal analysis or NMR. Protein data bank (Protein Data Bank, PDB) is known as a database that provides protein-related information and three-dimensional structure information. In this data bank, each protein is stored as three-dimensional structure information of each protein. The three-dimensional coordinate value of each atom constituting is stored (registered) as a text file. At present, the number of atomic coordinate data such as proteins registered in the PDB exceeds 50,000.

タンパク質分子におけるアミノ酸は、全て炭素原子(α炭素)に水素原子、−NH基、−COOH基、および側鎖と呼ばれるアミノ酸の種類を決定する基が結合した構造であり、脱水縮合して結合(ペプチド結合)している。側鎖を除くペプチド結合した鎖を主鎖といい、主鎖にはしばしば規則的な構造が見いだされる。この規則的構造は二次構造と呼ばれ、α−ヘリックスとβ−シートとに大別される。すなわち、タンパク質立体構造には、原子→アミノ酸→二次構造という階層構造が存在するため、主鎖の立体構造は二次構造の配置(パッキング)として表すことができる。 All amino acids in protein molecules have a structure in which a hydrogen atom, -NH 2 group, -COOH group, and a group that determines the type of amino acid called a side chain are bonded to a carbon atom (α-carbon) and bonded by dehydration condensation. (Peptide bond). A peptide-bonded chain excluding side chains is called a main chain, and a regular structure is often found in the main chain. This regular structure is called a secondary structure and is roughly divided into an α-helix and a β-sheet. That is, since the protein three-dimensional structure has a hierarchical structure of atom → amino acid → secondary structure, the three-dimensional structure of the main chain can be expressed as a secondary structure arrangement (packing).

[分子模型の作製方法]
図1に本発明による分子模型100の作製方法を説明したフローチャートを示す。また、図2に図1に示したフローチャートの主なステップを図式的に説明した図を示す。なお、図2中の各要素は、説明の便宜のため概略的に図示されている。
[Molecular model production method]
FIG. 1 is a flowchart illustrating a method for producing a molecular model 100 according to the present invention. FIG. 2 is a diagram schematically illustrating the main steps of the flowchart shown in FIG. Note that each element in FIG. 2 is schematically shown for convenience of explanation.

まず、上記PDB等のタンパク質立体構造情報データベースから所望のタンパク質に関連した構成原子の三次元座標値を取得する(ステップS1)。なお、原子の三次元座標値の取得方法は如何なる方法でも構わないが、インターネットを介して上記データベースがアップロードされた所定のインターネットサイトで所望のタンパク質を選択し、このタンパク質を構成する原子の三次元座標値を自己のコンピュータへダウンロードすることによって実現されることが簡便・迅速の点から好ましい。   First, a three-dimensional coordinate value of a constituent atom related to a desired protein is acquired from a protein tertiary structure information database such as the PDB (step S1). The method for obtaining the three-dimensional coordinate value of the atom may be any method, but a desired protein is selected on a predetermined Internet site where the database is uploaded via the Internet, and the three-dimensional of atoms constituting the protein is selected. It is preferable from the viewpoint of simplicity and speed that it is realized by downloading the coordinate value to its own computer.

次に、三次元の分子モデルをコンピュータグラフィックスとして表示しかつ分子モデルの編集・描画が可能なコンピュータソフトウェア(分子構造ビューア)を利用して、取得した原子座標情報から所望のタンパク質分子内部構造モデル1を用意(選択)する(ステップS2)。選択された分子内部構造モデル1は、上記分子構造ビューア上で必要に応じて描画され、後述の3Dプリンタが認識可能なフォーマットに出力される。   Next, the internal structure model of the desired protein molecule is obtained from the obtained atomic coordinate information using computer software (Molecular Structure Viewer) that displays the 3D molecular model as computer graphics and allows editing and drawing of the molecular model. 1 is prepared (selected) (step S2). The selected molecular internal structure model 1 is drawn on the molecular structure viewer as necessary, and is output in a format that can be recognized by a 3D printer described later.

なお、分子構造ビューアには、例えば、非特許文献1に開示されたPDBjViewerが挙げられるが、必ずしもこれに限定されない。本発明の作製方法に適用可能なその他の分子構造ビューアとして、例えば、MOLMOL、MOLSCRIPT、Swiss−Prot、Raster−3D、GRASP、RasMolなどが挙げられる。また、3Dプリンタが認識可能なファイルフォーマットには、現時点ではVRML(Virtual Reality Modeling Language)が挙げられるが、これに限定されず、例えばX3D(XMLベースの3次元コンピュータグラフィックスを表現するためのファイルフォーマット)でも利用可能であろう。   Examples of the molecular structure viewer include PDBjViewer disclosed in Non-Patent Document 1, but are not necessarily limited thereto. Examples of other molecular structure viewers applicable to the production method of the present invention include MOLMOL, MOLSCRIPT, Swiss-Prot, Raster-3D, GRASP, and RasMol. The file format that can be recognized by the 3D printer includes VRML (Virtual Reality Modeling Language) at the present time, but is not limited to this. For example, a file for expressing X3D (XML-based 3D computer graphics) Format).

分子内部構造モデル1には、リボン(Ribbon)モデル、ネオンモデル、CPKモデル等が挙げられる。ここで、「リボンモデル」とはタンパク質のα−へリックスやβ−シート構造の主鎖部分をらせん型や直線状のリボンとして表示するモデルを指し、「ネオンモデル」とはタンパク質の共有結合部分を太い筒状のネオン管として表示するモデルを指し、「CPKモデル」とは、原子半径の大きさを反映させた球でタンパク質原子を表したモデルを指す。なお、CPKモデルの英語表記は、New Corey−Pauling Space−Filling Atomic Models with Koltun Connectors である。   Examples of the molecular internal structure model 1 include a ribbon model, a neon model, and a CPK model. Here, the “ribbon model” refers to a model that displays the main chain portion of a protein α-helix or β-sheet structure as a helical or linear ribbon, and the “neon model” refers to a covalent bond portion of a protein. Is represented as a thick cylindrical neon tube, and “CPK model” refers to a model in which protein atoms are represented by a sphere reflecting the size of the atomic radius. The English notation of the CPK model is New Corey-Pauling Space-Filling Atomic Models with Koltun Connectors.

本発明において、主鎖の二次構造におけるパッキングを特に確認・検討したい場合には、リボンモデルを選択することが好ましい(図2及び図3(a)を参照)。一方、特定の残基の側鎖位置の確認が重要である場合には、ネオンモデルやCPKモデルを選択することが好ましい。さらに、上記の主鎖構造と側鎖位置との両方が重要である場合には、上記のモデルを複数選択して結合させたモデルを描画してもよく、識別性を向上させるために部分的に着色して描画するようにしてもよい。   In the present invention, it is preferable to select a ribbon model when it is particularly desired to confirm and examine the packing in the secondary structure of the main chain (see FIGS. 2 and 3A). On the other hand, when confirmation of the side chain position of a specific residue is important, it is preferable to select a neon model or a CPK model. Furthermore, when both the main chain structure and the side chain position are important, a model in which a plurality of the above models are selected and combined may be drawn. You may make it draw by coloring.

次に、前述の前記分子構造ビューアを使用して、ステップS1で取得された原子座標情報をもとに分子内部構造モデル1と同一の縮尺に調節されたタンパク質分子表面構造モデル2を用意する(ステップS3)。なお、タンパク質分子表面構造モデル2には、CPKモデル(タンパク質の構成原子の大きさ(半径)を反映させたモデル)、ファンデルワールスモデル(ファンデルワールス半径を反映させたモデル)、水分子排除モデル、などが挙げられる。本発明においては、特に鋳型形成や透明樹脂の充填等の加工が容易であるとともに、慣用的にもよく使用されるといった理由から、水分子排除モデルを選択することが好ましい(図3(b)を参照)。   Next, using the molecular structure viewer described above, a protein molecular surface structure model 2 adjusted to the same scale as the molecular internal structure model 1 based on the atomic coordinate information acquired in step S1 is prepared ( Step S3). The protein molecule surface structure model 2 includes a CPK model (a model reflecting the size (radius) of protein constituent atoms), a van der Waals model (a model reflecting the van der Waals radius), and water molecule exclusion. Model, etc. In the present invention, it is preferable to select a water molecule exclusion model because it is particularly easy to process such as mold formation and filling with a transparent resin, and is often used conventionally (FIG. 3B). See).

さらに、3Dモデリングソフトウェアを利用して、分子表面構造モデル2に関する三次元形状データを基に分子表面構造モデル2の鋳型モデル3を用意する(ステップS4)。ここで、3Dモデリングソフトウェアは、3Dプリンタ等による実際の造形(印刷)前に細かい不具合の修正や人工的な加工を行うためのソフトウェアであり、例えば、3Dプリンタ等の三次元造形装置とともに販売されているソフトウェアが挙げられるが、上述の微修正や加工が可能であれば必ずしもこれに限定されない。   Furthermore, a template model 3 of the molecular surface structure model 2 is prepared based on the three-dimensional shape data related to the molecular surface structure model 2 using 3D modeling software (step S4). Here, the 3D modeling software is software for performing fine defect correction and artificial processing before actual modeling (printing) by a 3D printer or the like, and is sold together with a 3D modeling apparatus such as a 3D printer, for example. However, the present invention is not limited to this as long as the above-described fine correction and processing are possible.

具体的には、分子表面構造モデル2を3Dモデリングソフトウェアに読み込ませ、3Dモデリングソフトウェア上で、分子表面構造モデル2の外表面(輪郭)で画定される内部を空間とし、外表面を囲繞する所望形状の構造モデルを構築することで鋳型モデル3は完成する。特に、この鋳型モデル3として、分子表面構造モデル2の外表面に沿って外表面から外側に所定の厚さ(肉厚)を有した薄膜体(図2の鋳型モデル3、及び図4(b)の外殻の太線部分を参照)が挙げられ、後述の分子模型100からの鋳型30の容易な破壊・排除の面から非常に好ましい。ここで、薄膜体モデルの肉厚は、後述の印刷ステップ及び樹脂の充填・硬化ステップの実施において鋳型構造を保持できる強度を付与できる厚さでよく、例えば、100mm×100mm×100mm程度の鋳型モデル3の場合、1〜2mm程度の肉厚に設定することが好ましい。これにより、分子模型100からの鋳型30の除去が容易となるだけでなく、鋳型材料も必要最小限の量で済むため印刷コストや鋳型廃棄コストを抑制することもできる(特に、3Dプリンタでは構造物等を印刷するコストは、被印刷物である構造物の体積に比例する)。   Specifically, the molecular surface structure model 2 is read into the 3D modeling software, and the interior defined by the outer surface (contour) of the molecular surface structure model 2 is defined as a space on the 3D modeling software, and the outer surface is surrounded. The mold model 3 is completed by constructing the structural model of the shape. In particular, as the template model 3, a thin film body having a predetermined thickness (wall thickness) from the outer surface along the outer surface of the molecular surface structure model 2 (the template model 3 in FIG. 2 and FIG. 4B). ), Which is very preferable from the viewpoint of easy destruction / exclusion of the template 30 from the molecular model 100 described later. Here, the thickness of the thin film model may be a thickness that can provide a strength capable of retaining the mold structure in the printing step and the resin filling / curing step described below. In the case of 3, the thickness is preferably set to about 1 to 2 mm. This not only facilitates the removal of the mold 30 from the molecular model 100, but also minimizes the printing cost and the disposal cost of the mold because only a minimum amount of the mold material is required (particularly in the case of a structure in a 3D printer). The cost of printing an object or the like is proportional to the volume of the structure that is the printing object).

なお、分子表面構造モデル2は、本発明の作製方法においては、鋳型モデル3を形成するためにのみ使用され、すなわち、該ステップS4以降のステップでは鋳型モデル3が分子内部構造モデル1とともに分子模型100の作製に使用されることとなる。   The molecular surface structure model 2 is used only for forming the template model 3 in the production method of the present invention, that is, the template model 3 is combined with the molecular internal structure model 1 in the steps after step S4. 100 will be used.

その後、3Dモデリングソフトウェアにおいて、ステップS2で選択した分子内部構造モデル1を読み込み、内面が分子表面形状をなす鋳型モデル3内に、原子座標値(絶対座標値)に基づき分子内部構造モデル1を配置する(重ね合わせる)(ステップS5)。これにより、鋳型モデル3内の分子表面形状と適切に対応する位置関係(同一の位置・配向)となった分子内部構造モデル1が鋳型モデル3内に設けられることになる(図4(a)を参照)。   After that, in the 3D modeling software, the molecular internal structure model 1 selected in step S2 is read, and the molecular internal structure model 1 is arranged based on the atomic coordinate values (absolute coordinate values) in the template model 3 whose inner surface forms the molecular surface shape. (Superimpose) (step S5). Thereby, the molecular internal structure model 1 having a positional relationship (same position / orientation) appropriately corresponding to the molecular surface shape in the template model 3 is provided in the template model 3 (FIG. 4A). See).

なお、通常、鋳型モデル3と分子内部構造モデル1との間には空間2a(分子表面構造となるべき部分、図4(b)を参照)が存在するとともに、分子内部構造モデル1は針金状の微細な構造を有する場合があるため後述の3Dプリンタによって三次元印刷された分子模型100の分子内部構造部分10は脆弱な構造体となる。従って、図2に示すように、この分子内部構造モデル1を鋳型モデル3内で支持・補強する支持材モデル4を鋳型モデル3と分子内部構造モデル1との間にさらに設置する(ステップS5a)。これにより、3Dモデリングソフトウェア内では分子内部構造モデル1と鋳型モデル3と支持材モデル4とは複雑な構造物ではあるが全て接続された状態となり、後述の3Dプリンタによって一体の構造物として造形(印刷)することが可能になる。なお、支持材モデル4は例えば棒状体が挙げられ、これを分子内部構造モデル1の構造的(強度的)に弱い箇所に鋳型モデル3の内面に直交するように設置することが望ましい。   Normally, a space 2a exists between the template model 3 and the molecular internal structure model 1 (see the portion to be a molecular surface structure, see FIG. 4B), and the molecular internal structure model 1 is a wire shape. The molecular internal structure portion 10 of the molecular model 100 three-dimensionally printed by a 3D printer, which will be described later, becomes a fragile structure. Accordingly, as shown in FIG. 2, a support material model 4 that supports and reinforces the molecular internal structure model 1 in the template model 3 is further installed between the template model 3 and the molecular internal structure model 1 (step S5a). . As a result, in the 3D modeling software, the molecular internal structure model 1, the template model 3, and the support material model 4 are all in a complex state but are connected to each other, and are modeled as an integral structure by a 3D printer described later ( Printing). The support material model 4 may be, for example, a rod-like body, and it is desirable to install the support material model 4 at a location where the structure (strength) of the molecular internal structure model 1 is weak so as to be orthogonal to the inner surface of the mold model 3.

加えて、図2に示すように、鋳型モデル3を、鋳型本体部モデル3aと、鋳型蓋部モデル3bと、に分割する(ステップS5b)。鋳型モデル3をこのように分割する理由は、後述の三次元印刷のステップS7にて鋳型30内に設けられた分子内部構造10を物理的に印刷できるようにするためであるとともに、後述の樹脂充填ステップS8においても樹脂流入口(開口部)30cを形成するためである。例えば鋳型30の外殻が卵のように完全に覆われると、3Dプリンタの種類によっては分子内部構造10を印刷した後、印刷工程上生じたパウダー等が鋳型30内に残存してしまい、排出(除去)できなくなってしまうといった問題が生じる場合もあるため、少なくとも1つの開口部30cを鋳型30に設けた方が良い。また、鋳型蓋部モデル3bを複数用意するようにしてもよく、こうすることで3Dプリンタ印刷後の鋳型30に開口部30cを複数設置できる。これらの複数の開口部30cの一方は透明樹脂充填用の穴として利用することができ、他方は透明樹脂の充填を促進するための空気の抜け穴として利用することができる。   In addition, as shown in FIG. 2, the mold model 3 is divided into a mold body model 3a and a mold lid model 3b (step S5b). The reason why the template model 3 is divided in this way is to allow the molecular internal structure 10 provided in the template 30 to be physically printed in the later-described three-dimensional printing step S7 as well as the resin described later. This is because the resin inlet (opening) 30c is formed also in the filling step S8. For example, when the outer shell of the mold 30 is completely covered like an egg, depending on the type of 3D printer, after the molecular internal structure 10 is printed, powder generated in the printing process remains in the mold 30 and is discharged. Since there may be a problem that (removal) cannot be performed, it is better to provide at least one opening 30c in the mold 30. Also, a plurality of mold lid models 3b may be prepared, and in this way, a plurality of openings 30c can be installed in the mold 30 after 3D printer printing. One of the plurality of openings 30c can be used as a hole for filling the transparent resin, and the other can be used as an air hole for promoting the filling of the transparent resin.

次に、上記編集が済んだ鋳型本体部モデル3aと支持材モデル4と分子内部構造モデル1とを含んだ分子模型モデルを三次元プリンタが認識可能なファイルフォーマットに変換して、造形入力データとして三次元プリンタに入力する(ステップS6)。   Next, the molecular model including the mold body part model 3a, the support material model 4 and the molecular internal structure model 1 that has been edited is converted into a file format that can be recognized by a three-dimensional printer, and used as modeling input data. Input to the three-dimensional printer (step S6).

次いで、三次元プリンタによって、鋳型本体部モデル3aと支持材モデル4と分子内部構造モデル1とを含んだ分子模型モデルの入力データ(造形入力データ)から、これらに対応した形状の分子内部構造10と支持材40と鋳型本体部30aとを一体的に造形する(ステップS7)。なお、分子内部構造10は、弾力性付与の点から、澱粉をベースにした可塑性の高い材料(インク)で印刷することが好ましい。なお、図5は3Dプリンタによって印刷された直後の分子模型100の鋳型30と分子内部構造10とを示す。ここで、便宜上鋳型30は分子内部構造10が観察できるように分割されている。また、図5から分子内部構造10を数箇所支持する支持材40も確認することができる。   Next, the molecular internal structure 10 having a shape corresponding to these is input from the input data (modeling input data) of the molecular model model including the mold body model 3a, the support material model 4 and the molecular internal structure model 1 by a three-dimensional printer. The support member 40 and the mold body 30a are integrally formed (step S7). In addition, it is preferable to print the molecular internal structure 10 with a highly plastic material (ink) based on starch from the viewpoint of imparting elasticity. FIG. 5 shows the template 30 and the molecular internal structure 10 of the molecular model 100 immediately after being printed by the 3D printer. Here, for convenience, the template 30 is divided so that the molecular internal structure 10 can be observed. Moreover, the support material 40 which supports several molecular internal structures 10 from FIG. 5 can also be confirmed.

加えて、三次元プリンタによって鋳型蓋部モデル3bの入力データからこの形状に対応した鋳型蓋部30bを造形する(ステップS7a)。   In addition, the mold lid 30b corresponding to this shape is formed from the input data of the mold lid model 3b by a three-dimensional printer (step S7a).

三次元印刷ステップS7、S7aの後、鋳型本体部30a内の開口部30c(鋳型蓋部30bに関連(嵌合)する部分)を通して透明樹脂を鋳型本体部30a内に流し込み、硬化させる(ステップS8)。これにより、鋳型本体部30a内の空間2aは分子内部構造10を包含した状態で充填され、分子表面構造20を形成する。なお、透明樹脂の充填後から硬化するまで、鋳型蓋部30bで開口部30cに蓋をしておくことが好ましく(ステップS8a)、これにより分子表面構造20はより高精度な形状となる。   After the three-dimensional printing steps S7 and S7a, the transparent resin is poured into the mold main body 30a through the opening 30c in the mold main body 30a (the part associated (fitted) with the mold lid 30b) and cured (step S8). ). As a result, the space 2 a in the mold body 30 a is filled in a state including the molecular internal structure 10, thereby forming the molecular surface structure 20. In addition, it is preferable to cover the opening 30c with the mold lid portion 30b after the transparent resin is filled until it is cured (step S8a), whereby the molecular surface structure 20 has a more accurate shape.

ここで、充填される透明樹脂としては、シリコン樹脂(PDMS)、アクリル樹脂(PMMA)、又はアクリルアミド等のハイドロゲルが好ましい。PDMSは適度な弾力性と良好な透明度を持つ点で有利である。特に弾力性は、完成した分子模型100を変形させる上で有利である。上述した可塑性の高い材料で印刷された分子内部構造10と、弾力性のある透明樹脂からなる分子表面構造と、を備えた分子模型100は変形が容易となり、この技術分野の研究者は、タンパク質の会合や基質結合を検討する際に分子模型100を手にしながらこれを多少変形させた状態を確認できるようになる。PMMAは、その高い透明性と硬度等の化学的安定性とから、分子模型100の長寿命化が期待される点で有利である。また、ハイドロゲルは後述の分子模型100の浸漬観察のための溶媒に水を用いることができるために取扱いが容易であるという利点を持つ。   Here, the transparent resin to be filled is preferably a hydrogel such as silicon resin (PDMS), acrylic resin (PMMA), or acrylamide. PDMS is advantageous in that it has moderate elasticity and good transparency. In particular, elasticity is advantageous in deforming the completed molecular model 100. The molecular model 100 having the molecular internal structure 10 printed with the above-described highly plastic material and the molecular surface structure made of an elastic transparent resin can be easily deformed. When examining the association and the substrate binding, it is possible to confirm a state in which the molecular model 100 is slightly deformed while holding the molecular model 100 in hand. PMMA is advantageous in that the lifetime of the molecular model 100 is expected to be extended due to its high transparency and chemical stability such as hardness. Moreover, since hydrogel can use water for the solvent for immersion observation of the molecular model 100 mentioned later, it has the advantage that handling is easy.

透明樹脂の充填・硬化ステップS8の後、鋳型30(鋳型本体部30aと鋳型蓋部30b)と支持材40とを除去する(ステップS9)。上述したように、鋳型30が所定の肉厚の薄膜体で形成されていれば、鋳型30は容易に破壊され、除去され得る。ここで、支持材40の除去によって生じた分子表面構造20内の空洞40aにさらに樹脂を充填・硬化してもよい(ステップS9a)。   After the transparent resin filling / curing step S8, the mold 30 (the mold body 30a and the mold lid 30b) and the support member 40 are removed (step S9). As described above, if the mold 30 is formed of a thin film body having a predetermined thickness, the mold 30 can be easily broken and removed. Here, a resin may be further filled and cured in the cavity 40a in the molecular surface structure 20 generated by removing the support material 40 (step S9a).

以上により、透明樹脂内に分子内部構造10(主鎖・側鎖)が適切に配置・配向され、樹脂表面を含みかつ分子内部構造10を囲繞した部分が分子表面構造20を形成する本発明の分子模型100が完成する。   As described above, the molecular internal structure 10 (main chain / side chain) is appropriately arranged and oriented in the transparent resin, and the portion including the resin surface and surrounding the molecular internal structure 10 forms the molecular surface structure 20 of the present invention. The molecular model 100 is completed.

さらに、硬化後の樹脂に対して追加の造形処理を施してもよい(ステップS10)。例えばクリスタル造形装置等を用いて樹脂にレーザー光線を照射し、樹脂内部にクラックを形成させて、分子模型100に関連した情報(水素結合の様式やインデックス番号)を立体特異的に彫刻してもよい(ステップS10a)。また、分子模型100が複数存在する際に、各模型100を容易に同定する目的のために透明体の樹脂表面を単一のクリアカラー塗料(透明度を持った塗料)で着色してもよいし、分子表面上の親水、疎水性の程度や静電ポテンシャルなどを反映させるよう、複数のカラー塗料を使用して着色してもよい。(ステップS10b)。   Furthermore, you may perform an additional modeling process with respect to resin after hardening (step S10). For example, a resin may be irradiated with a laser beam using a crystal shaping apparatus or the like to form cracks inside the resin, and information related to the molecular model 100 (hydrogen bond type and index number) may be engraved stereospecifically. (Step S10a). In addition, when there are a plurality of molecular models 100, a transparent resin surface may be colored with a single clear color paint (a paint with transparency) for the purpose of easily identifying each model 100. The color may be colored using a plurality of color paints so as to reflect the degree of hydrophilicity and hydrophobicity on the molecular surface, the electrostatic potential, and the like. (Step S10b).

[分子模型の観察方法]
以上により作製された本発明のタンパク質分子の分子模型の使用・観察方法について、以下に説明する。
[Molecular model observation method]
A method for using and observing the molecular model of the protein molecule of the present invention produced as described above will be described below.

空気中での分子模型の観察
空気中で分子模型100を手にとって観察するとともに変形させることが可能であり、タンパク質の会合や基質結合を検討する場合に非常に有用である。しかしながら、樹脂よりも屈折率の低い空気(屈折率:約1.00)中では樹脂内部の主鎖、側鎖構造(分子内部構造10)を正しく見ることが困難な場合がある。
Observation of a molecular model in the air The molecular model 100 can be observed by hand and deformed in the air, which is very useful when examining protein association and substrate binding. However, in air having a lower refractive index than the resin (refractive index: about 1.00), it may be difficult to correctly see the main chain and side chain structure (molecular internal structure 10) inside the resin.

溶媒中に浸漬した分子模型の観察
また、別の観察方法として、硬化前の樹脂、もしくは硬化後の樹脂と同じ屈折率を持つよう調節した溶媒(水溶媒又は水以外の溶媒)に分子模型100を浸漬させた状態で観察してもよい。なお、本発明の透明樹脂にハイドロゲルを使用した場合には、樹脂の屈折率が水(屈折率:約1.33)に近いため、水溶媒(水自体も含む。)を使用することができる。水溶媒を用いた場合では、模型を取り出した後に水で濯げばすむので取扱いが容易であるという利点がある。また、別の樹脂材料(ハイドロゲルよりも高い屈折率を有する樹脂材料)を備えた分子模型の場合には、水溶媒の濃度を調節して水溶媒の屈折率を該樹脂材料に適合させればよい。水溶媒に溶かす高屈折率の溶質としては、糖類や塩類、またグリセリン(示性式C(OH))等が挙げられる。屈折率の調整は、このように溶質の濃度を変えることで、およそ1.33〜1.50の範囲で調整可能である。水以外の溶媒としては、シリコーンオイル(PDMSと同じ屈折率1.40)、植物油・ミネラルオイル(アクリル樹脂と似た屈折率1.48程度)等が挙げられる。
Observation of molecular model immersed in solvent As another observation method, molecular model 100 is used in a solvent (water solvent or solvent other than water) adjusted to have the same refractive index as that of the resin before curing or the resin after curing. You may observe in the state immersed. In addition, when hydrogel is used for the transparent resin of the present invention, since the refractive index of the resin is close to water (refractive index: about 1.33), an aqueous solvent (including water itself) may be used. it can. When an aqueous solvent is used, there is an advantage that handling is easy because the model is taken out and rinsed with water. In the case of a molecular model having another resin material (a resin material having a higher refractive index than that of hydrogel), the refractive index of the aqueous solvent can be adjusted to the resin material by adjusting the concentration of the aqueous solvent. That's fine. Examples of the solute having a high refractive index that is dissolved in an aqueous solvent include saccharides, salts, and glycerin (shown by the formula C 3 H 5 (OH) 3 ). The refractive index can be adjusted in the range of about 1.33 to 1.50 by changing the concentration of the solute in this way. Examples of the solvent other than water include silicone oil (refractive index of 1.40 which is the same as that of PDMS), vegetable oil / mineral oil (refractive index of about 1.48 similar to acrylic resin), and the like.

この観察方法により、透明樹脂と溶媒との屈折率がほぼ同等になるため、樹脂内部の分子内部構造10である主鎖、側鎖の立体配置構造をより鮮明に観察することができるようになる。また、上述の追加造形ステップS10bにおいて透明樹脂表面をクリアカラーの塗料で着色しておけば、浸漬後も分子表面構造20の形状を3次元的に見つつ、この樹脂を透かしながら分子内部構造10を見ることも可能となる。なお、浸漬する溶媒が水を主体とした水溶液であれば、観察後に溶媒から分子模型100を取り出す際には水で濯げば良いだけであるので、洗浄、保管、取扱い等の面で有利である。   By this observation method, since the refractive indexes of the transparent resin and the solvent are almost equal, the configuration of the main chain and the side chain as the molecular internal structure 10 inside the resin can be observed more clearly. . Further, if the transparent resin surface is colored with a clear color paint in the additional modeling step S10b described above, the molecular internal structure 10 can be seen through the resin while seeing the shape of the molecular surface structure three-dimensionally even after immersion. It is also possible to see. If the solvent to be immersed is an aqueous solution mainly composed of water, it is only necessary to rinse with water when taking out the molecular model 100 from the solvent after observation, which is advantageous in terms of washing, storage, handling, and the like. is there.

図6に本発明により作製された分子模型100が溶媒中に浸漬された様子を示す。溶媒には植物油を使用した。図6はグレースケールの画像であるが、分子模型100の分子表面構造20の表面は、実際には緑色のクリアカラー塗料で着色されている。この図6より、透明樹脂と同一の屈折率に調整した溶媒中で観察することで分子表面構造20と分子内部構造10とをさらに明確に認識でき、クリアカラー塗料で透明樹脂を着色することで分子表面構造20の輪郭をより鮮明に認識できることがわかる。   FIG. 6 shows a state in which the molecular model 100 produced according to the present invention is immersed in a solvent. Vegetable oil was used as the solvent. Although FIG. 6 is a gray scale image, the surface of the molecular surface structure 20 of the molecular model 100 is actually colored with a green clear color paint. From FIG. 6, by observing in a solvent adjusted to the same refractive index as the transparent resin, the molecular surface structure 20 and the molecular internal structure 10 can be recognized more clearly, and the transparent resin is colored with a clear color paint. It can be seen that the contour of the molecular surface structure 20 can be recognized more clearly.

以上のように説明された本発明の分子模型の作製方法及び作製された分子模型は、以下のような作用効果を奏する。   The method for producing a molecular model and the produced molecular model of the present invention described above have the following effects.

本発明の分子模型の作製方法によれば、3Dプリンタ等の三次元造形装置を利用するために、高精度(3Dプリンタの工作精度に準じた0.1ミリ程度)かつ複雑な分子内部構造及び分子表面構造を備えた分子模型を容易に提供することが可能になる。   According to the method for producing a molecular model of the present invention, in order to use a three-dimensional modeling apparatus such as a 3D printer, a highly accurate (about 0.1 mm according to the working accuracy of a 3D printer) and a complicated molecular internal structure and It becomes possible to easily provide a molecular model having a molecular surface structure.

本発明の分子模型の作製方法によれば、タンパク質の分子内部構造と分子表面構造とを同一縮尺かつ対応する位置関係で同時に観察可能な分子模型を提供することができるだけでなく、それぞれの構造を弾力性のある材料で形成するため、それぞれの変形状態をも確認可能な分子模型を提供することができる。なお、両構造の変形状態を確認可能な分子模型は、基質や薬剤分子によるタンパク質のInduced fit(基質等が酵素タンパク質の活性中心部へ誘導適合される際に活性中心部の立体構造が変化する現象)やタンパク質間相互作用の検討など、生命現象に重要な反応の考察に非常に有用である。   According to the method for producing a molecular model of the present invention, it is possible not only to provide a molecular model capable of simultaneously observing the molecular internal structure and the molecular surface structure of a protein at the same scale and in a corresponding positional relationship. Since it is made of an elastic material, it is possible to provide a molecular model that can confirm each deformation state. In addition, the molecular model that can confirm the deformation state of both structures is an induced fit of a protein by a substrate or a drug molecule (the three-dimensional structure of the active center changes when the substrate or the like is inductively matched to the active center of the enzyme protein) Phenomenon) and protein-protein interactions.

本発明の分子模型の作製方法によれば、十分な構造強度(堅牢性)と弾力性とを兼ね備えた分子模型を提供することができるため、分子模型の取扱いに過度な注意を払う必要がない。   According to the method for producing a molecular model of the present invention, it is possible to provide a molecular model having both sufficient structural strength (robustness) and elasticity, so that it is not necessary to pay excessive attention to the handling of the molecular model. .

本発明の分子模型の作製方法によれば、分子表面構造の形成に必要な鋳型の材料を必要最低限の量だけ使用するだけでよく、三次元印刷コストの抑制や模型完成後の鋳型廃棄コストの抑制を図ることが可能になる。   According to the method for producing a molecular model of the present invention, it is only necessary to use a minimum amount of a template material necessary for forming a molecular surface structure, and it is possible to reduce the three-dimensional printing cost and the mold disposal cost after the model is completed. Can be suppressed.

本発明により提供される分子模型は、これまでコンピュータ画面を眺めるだけでは検討しづらかった、(1)分子構造内の立体的な特徴に基づいた他分子との相互作用の可能性(薬剤スクリーニング)、(2)結合様式の予想、(3)立体構造的な観点からの特定分子の作用制限の検討などを容易にし、薬学やライフサイエンス分野でのツールとして学術的な貢献が期待されるものである。よって、本発明の分子模型は、主に大学、公設試験研究機関、製薬会社の研究所といった高等研究機関での利用が期待される。   The molecular model provided by the present invention has heretofore been difficult to study only by looking at a computer screen. (1) Possibility of interaction with other molecules based on the three-dimensional characteristics in the molecular structure (drug screening) , (2) Prediction of binding mode, (3) Study of restriction of action of specific molecules from the viewpoint of three-dimensional structure, etc., and is expected to contribute academically as a tool in the fields of pharmacy and life science. is there. Therefore, the molecular model of the present invention is expected to be used mainly in higher research institutions such as universities, public testing research institutions, and pharmaceutical company laboratories.

さらに、本発明は、タンパク質分子が微細・複雑であるために脆弱な内部構造を有する上に別の態様で分子表面構造が表現されることが可能であるといった、タンパク質分子の特殊性に適合する分子模型の作製方法であるが、必ずしもこれに限定されず、種々な分野の模型の作製に適用可能である。例えば、本発明を、建築物の内部構造と、該内部構造を包含する透明樹脂からなる外部構造と、を備えた建築物模型の作製方法にも適用可能であろう。   Furthermore, the present invention is compatible with the special characteristics of protein molecules, such that protein molecules have a fragile internal structure because they are fine and complex, and the molecular surface structure can be expressed in another manner. Although it is a manufacturing method of a molecular model, it is not necessarily limited to this, It can apply to preparation of the model of various fields. For example, the present invention may be applied to a method for producing a building model including an internal structure of a building and an external structure made of a transparent resin that includes the internal structure.

1 分子内部構造モデル
2 分子表面構造モデル
2a 空間
3 鋳型モデル
3a 鋳型本体部モデル
3b 鋳型蓋部モデル
3c 鋳型本体部モデルの開口部
4 支持材モデル
10 分子内部構造
20 分子表面構造
30 鋳型
30a 鋳型本体部
30b 鋳型蓋部
30c 鋳型本体部の開口部
40 支持材
40a 支持材除去によって生じた空洞
100 分子模型
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Molecule internal structure model 2 Molecular surface structure model 2a Space 3 Template model 3a Mold body part model 3b Mold lid part model 3c Opening part of mold body part model 4 Support material model 10 Molecule internal structure 20 Molecule surface structure 30 Mold 30a Template body Part 30b Mold lid part 30c Opening part of mold body part 40 Support material 40a Cavity generated by removing support material 100 Molecular model

Claims (7)

タンパク質の構成原子の三次元座標値を基に分子内部構造モデルを用意するステップと、
前記三次元座標値を基に前記分子内部構造モデルと同一の縮尺に調節された分子表面構造モデルを用意するステップと、
前記分子表面構造モデルの三次元形状データを基に鋳型モデルを用意するステップと、
前記三次元座標値に基づき前記鋳型モデル内に前記分子内部構造モデルを配置するステップと、
前記鋳型モデルと前記分子内部構造モデルとを三次元造形装置が認識可能なファイルフォーマットに変換して造形入力データとして三次元造形装置に入力するステップと、
前記三次元造形装置によって、前記造形入力データから分子内部構造と鋳型とを一体的に造形するステップと、
前記鋳型内に透明樹脂を充填し硬化させて分子表面構造を形成するステップと、
前記透明樹脂が硬化した後に、前記鋳型を除去するステップと、
を備えたタンパク質分子の分子模型の作製方法。
Preparing a molecular internal structure model based on the three-dimensional coordinate values of protein constituent atoms;
Preparing a molecular surface structure model adjusted to the same scale as the molecular internal structure model based on the three-dimensional coordinate values;
Preparing a template model based on the three-dimensional shape data of the molecular surface structure model;
Placing the molecular internal structure model in the template model based on the three-dimensional coordinate values;
Converting the template model and the molecular internal structure model into a file format recognizable by the 3D modeling apparatus and inputting it as modeling input data to the 3D modeling apparatus;
With the three-dimensional modeling apparatus, modeling the molecular internal structure and the mold integrally from the modeling input data;
Filling the mold with a transparent resin and curing to form a molecular surface structure;
Removing the mold after the transparent resin is cured;
A method for producing a molecular model of a protein molecule comprising
前記鋳型モデル内に前記分子内部構造モデルを対応する位置と配向に配置するステップは、前記鋳型モデルと前記分子内部構造との間を結合する支持材モデルをさらに用意し、
前記造形ステップは、前記支持材モデルを含んだ造形入力データを基に前記分子内部構造と前記鋳型とともに両者を一体的に結合する支持材を造形し、
前記鋳型除去ステップは、前記鋳型とともに前記支持材を除去することを特徴とする請求項1に記載の分子模型の作製方法。
The step of arranging the molecular internal structure model in the template model in a corresponding position and orientation further prepares a support material model for coupling between the template model and the molecular internal structure,
The modeling step models a support material that integrally couples the molecular internal structure and the mold together based on modeling input data including the support material model,
The method for producing a molecular model according to claim 1, wherein the template removing step removes the support material together with the template.
前記鋳型モデルを用意するステップは、前記鋳型モデルを、鋳型本体部モデルと、鋳型蓋部モデルと、に分割するステップをさらに備え、
前記造形ステップは、前記鋳型本体部モデルと、前記鋳型蓋部モデルと、に基づいて開口部を備えた鋳型本体部と、該開口部に蓋をする鋳型蓋部と、を造形し、
前記鋳型本体部は、前記分子内部構造と一体的に造形され、
前記分子表面構造形成ステップは、前記開口部を通して前記鋳型本体部内に前記透明樹脂を充填し、前記鋳型蓋部によって前記開口部に蓋をした後に前記透明樹脂を硬化させることを特徴とする請求項1又は2に記載の分子模型の作製方法。
The step of preparing the mold model further comprises the step of dividing the mold model into a mold body part model and a mold lid part model,
The modeling step forms a mold body part having an opening based on the mold body part model and the mold lid part model, and a mold lid part that covers the opening part,
The mold body is molded integrally with the molecular internal structure,
The molecular surface structure forming step is characterized in that the transparent resin is filled in the mold body through the opening, and the transparent resin is cured after the opening is covered with the mold lid. 3. A method for producing the molecular model according to 1 or 2.
前記鋳型が薄膜状の構造物となることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の分子模型の作製方法。   The method for producing a molecular model according to any one of claims 1 to 3, wherein the template is a thin film structure. 前記鋳型除去ステップの後に、前記分子表面構造の表面にクリスタルカラーの塗料で着色するステップをさらに備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の分子模型の作製方法。   The method for producing a molecular model according to any one of claims 1 to 4, further comprising a step of coloring the surface of the molecular surface structure with a crystal color paint after the template removing step. 前記鋳型除去ステップの後に、前記分子模型にクリスタル造形処理を施して、前記分子模型に関連する情報を付与するステップをさらに備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の分子模型の作製方法。   6. The method according to claim 1, further comprising, after the template removal step, performing a crystal modeling process on the molecular model to give information related to the molecular model. How to make a molecular model. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の分子模型の作製方法によって作製されたタンパク質分子の分子模型。   The molecular model of the protein molecule produced by the production method of the molecular model of any one of Claims 1-6.
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