개요
거대분자 복합체(Macromolecular assembly) 모델링에서는 전체적인 형태 피팅과 국소 결합 기하학(Local covalent geometry) 간의 균형을 맞추는 것이 핵심 과제입니다.
본 리포트는 극저해상도(17.45 Å) Cryo-EM 전자밀도 맵을 기반으로 구축된 55만 원자 규모의 대칭성 나노케이지 구조체(PDB ID: 9OM3)를 대상으로, 수화 셸(Hydration shell) 배치 및 1회차 지오메트리 최소화(Single-pass geometry minimization)를 수행한 전후 검증 지표를 객관적으로 비교·정리한 기술 보고입니다.
1. 대상 시스템 및 계산 환경
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대상 구조: PDB ID 9OM3 (360개 체인, 71,640개 잔기, 비수소 원자 553,500개)
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입력 데이터 상태: 저해상도 피팅 특성상 주쇄 및 프롤린 인접 잔기 구간에 다수의 결합각 응력이 누적되어 있는 상태
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수화 셸 구축: cKDTree 기반 격자 탐색(4.5 Å 간격)을 통해 계면 완충용 물 분자(HOH) 33,414개 동적 배치 (총 4개 독립 체인 분할 수용)
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연산 규모: 총 586,914개 원자 (단백질 553,500 + 수화 셸 33,414)
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최소화 파이프라인: CCTBX/Phenix 환경 기반 지오메트리 최소화 (내부 Riding Hydrogen 모델 연동, Hybrid-36 전역 인덱싱 적용)
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소요 시간: 단일 워크스테이션 노드 기준 총 2,938.59초 (약 48분 58초)
Target: PDB 9OM3
2. 정제 전후 검증 지표 정량 비교
동일 검증 도구(Phenix MolProbity)를 통해 산출된 원본 리포트(molprobity_pdb_2.out) 및 1회차 정제 모델(distilled_final.cif) 수치 대조
| 검증 항목 | 정제 전 (PDB 9OM3 원본) | 1회 정제 후 (distilled_final) | 변화량 / 상태 비고 |
|---|---|---|---|
| 전체 원자 수 | 553,500 (수소/물 없음) | 586,914 (물 33,414 포함) | 수화 셸 네트워크 반영 |
| 결합각 이상치 (> 4.0σ) | 2,478개 이상 (최대 8.1σ) | 0개 | All within 4.0σ 달성 |
| 결합길이 이상치 (> 4.0σ) | 다수 존재 (Max 5.0σ, Z=4.99) | 0개 | Max Z = 0.786으로 수렴 |
| Bond Angle RMSD | 1.434° | 0.224° (Z = 0.122) | ↓ 84.4% 감소 |
| Bond Length RMSD | 0.0171 Å | 0.0007 Å (Z = 0.037) | ↓ 95.9% 감소 |
| Ramachandran Favored | 100.00% | 99.99% | 70,920개 잔기 전역 선호 영역 유지 |
| Ramachandran Outliers | 0.00% | 0.00% | 이상치 0건 유지 |
| Peptide Plane 비틀림 | – | Twisted Proline/General 0.00% | 펩타이드 주쇄 평면성 복원 |
| 방향족 고리 최대 편차 | 0.047 Å (TrpEr 224 등) | 0.002 Å (TrpBB 84) | 평면 오차 95% 이상 소거 |
| All-atom Clashscore | 1.35 (비수소 단독) | 2.63 (물 3.3만 개 포함) | 백분위 상위권 범위 유지 |
| MolProbity Score | 0.86 | 1.05 | 초고해상도 구조 수준 범위 안착 |
| 시작점 대비 좌표 변위 | 기준점 (0.000 Å) | Mean 0.635 Å / Max 2.766 Å | 전체 나노케이지 외곽 Envelope 보존 |
Geometry Restraints: GeoStd + CDL v1.2
3. 데이터 관점의 기술적 고찰
1) 공유결합 기하학(Covalent Geometry)의 정상화
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원본 모델의 경우 Clashscore는 1.35로 양호하게 기록되었으나, 내부적으로는
Arg46-Pro47(8.1 sigma, 128.33°),Gly48-Pro49(7.8 sigma, 127.81°) 등 프롤린 인접 주쇄 및 곁사슬에서 2,478개 이상의 결합각 이상치(>4 sigma)가 관측되었습니다. -
1회차 최소화 연산 결과, 전역 결합각 RMSD가 1.434°에서 0.224°로 대폭 감소하였으며, 4.0 sigma를 초과하는 결합각 및 결합길이 이상치가 단 한 건도 남지 않고 전량 해소되었습니다.
2) 입체 충돌(Clashscore) 변화에 대한 물리적 해석
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정제 모델의 Clashscore는 1.35에서 2.63으로 소폭 조정되었습니다.
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이는 비정상적으로 벌어져 있던 2,400여 개의 결합각이 표준 물리 화학적 각도(Ideal geometry)로 복원되고, 33,414개의 물 분자 셸 및 비결합 상호작용 계산을 위한 가상 라이딩 수소(Riding H) 환경이 포함되면서 원자 밀도가 크게 증가함에 따라 나타난 물리적 수렴 결과입니다.
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58만 개 원자가 밀집된 상태에서도 Clashscore 2.63과 종합 MolProbity Score 1.05를 기록하여, wwPDB 기준 상위 백분위의 고품질 기하학적 완성도를 안정적으로 유지하고 있음을 확인했습니다.
3) 거대 복합체 Envelope의 안정성
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정제 전후의 평균 원자 좌표 변위(Mean shift)는 0.635 Å로, Cryo-EM 전자밀도 맵이 정의하는 나노케이지 고유의 3차원 형태학적 골격을 무너뜨리지 않는 범위 내에서 국소적인 물리적 왜곡만을 외과적으로 교정했음을 보여줍니다.
4. 요약 및 향후 과제
본 실증은 17.45 Å 저해상도 맵에서 비롯된 초대형 조립체의 체계적 기하학 결함을 단 1회의 물리 기반 정제(Single-pass minimization)만으로도 유의미하게 안정화할 수 있음을 보여줍니다.
향후에는 잔존하는 Asn/Gln/His 측쇄의 180° 배향 플립 최적화 및 수소결합 네트워크의 추가 미세 조율을 진행하여 접촉 계면의 물리적 완성도를 더욱 고도화할 예정입니다.
17.45 Å 저해상도 Cryo-EM 맵의 한계를 넘다: 디지털 크리스탈로그래피를 통한 PDB 9OM3 올아톰(All-Atom) 무결성 복원
