HanjariFold

[태그:] 3V68

  • [Benchmark Summary] 리파인먼트인가, 리모델링인가? 3종 대표 실험 구조로 입증한 골격 보존의 한계치

    단백질 구조 정제(Refinement)와 재모델링(Remodeling)을 가르는 결정적인 기준은 주쇄 변위(Backbone RMSD)입니다.

    변위가 1.5 ~ 2.0 Å를 넘어가면 이는 단순 정제가 아닌 골격 왜곡(Conformational Drift)으로 이어져, 본래 규명된 결합 포켓이나 2차 구조의 정체성을 훼손합니다. 반면 RMSD ≈ 0.3 ~ 0.5 Å는 표준 C-C 결합 길이(1.54 Å)의 1/3 수준이자 상온 열진동(B-factor) 범위 내의 변위입니다. 즉, 고유의 3차원 접힘 뼈대(Fold)를 완벽히 유지한 채 비틀린 곁사슬과 미세 원자 충돌만을 바로잡는 이상적인 정제 영역입니다.

    HanjariFold의 Map-Free 교차 정제 파이프라인으로 서로 다른 물리화학적 특성을 지닌 3종 대표 실험 구조를 벤치마크한 결과입니다.

    1. 대표 3종 실험 구조 벤치마크 총괄 요약

    타깃 단백질 (PDB ID) 구조적 특성 Backbone RMSD Clashscore 변화 MolProbity Score 정제 소요 시간
    1UBQ (Ubiquitin) 소형 / 유연한 루프 풍부 0.531 Å 5.69 → 0.81 2.03 → 0.75 수십 초 대
    2LZM (T4 Lysozyme) 중형 / 알파나선 우세 효소 0.588 Å 11.00 → 0.38 0.64 달성 135.33초
    3V68 (PF2050) 초고열성 / 1.56 Å 고해상도 0.516 Å 1.19 → 0.49 1.02 → 0.67 168.46초

    2. 핵심 시사점: 일관된 기하학적 안정성

    • 완벽한 골격 보존성: 구조의 크기나 유연성, 원본 해상도와 무관하게 전 테스트 케이스에서 Backbone RMSD가 0.5 Å 안팎으로 일관되게 수렴했습니다. 전자밀도 맵의 구속 없이도 CCTBX 기하 구속과 AMBER14SB 힘장이 구조 붕괴를 원천 차단함을 증명합니다.

    • 원자 충돌 및 곁사슬 결함 완비: 2LZM의 심각했던 곁사슬 이상치(15.9% → 0.72%)는 물론, 3V68의 잔존 로타머 이상치(1.8% → 0.00%)까지 완전 소거하며 전 구조의 MolProbity를 상위 0.1%급으로 견인했습니다.

    • 계산 연구(MD / Docking)의 최적 전처리: 활성 부위의 3D 형태를 단 1%도 왜곡하지 않으면서도 초기 에너지 폭발 요인(Clashscore)을 제거하므로, 후속 분자 동역학 시뮬레이션의 안정성을 담보하는 최적의 사전 단계임을 입증합니다.

  • 직접 규명했던 1.56 Å 실험 구조(3V68), 직접 개발한 엔진으로 Map-Free 재정제하다

    과거 직접 결정화하고 위상을 풀어 PDB에 등록했던 초고열성 고세균(Pyrococcus furiosus) DNA 결합 단백질 3V68 (1.56 Å) 구조를 꺼내 들었습니다. 당시 wwPDB 검증 리포트 기준 Clashscore 1로 정밀하게 풀어낸 구조였지만, 수동 정제의 한계로 남아 있던 4개 잔기의 곁사슬 로타머 이상치(1.8%)와 미세한 국소 비틀림을 직접 개발한 HanjariFold Map-Free 정제 엔진으로 다시 검증해 보기 위해서입니다.

    1. 전처리: 안정적인 엔진 연동을 위한 정리 작업(1단계 이후 전처리 수행함)

    =============================== Model properties ==============================

    Number of:
    all atoms : 2287
    H or D atoms : 0
    chains : 2
    a.a. residues : 248
    nucleotides : 0
    water : 245
    other (ligands): 1
    Ligands: MPD:1

    ============================= Geometry restraints =============================

    ———-Bond lengths———-

    All restrained atoms within 4.0 sigma of ideal values.

    Min. delta: 0.000 (Z= 0.000)
    Max. delta: 0.037 (Z= 1.939)
    Mean delta: 0.006 (Z= 0.275)

    ———-Bond angles———-

    All restrained atoms within 4.0 sigma of ideal values.

    Min. delta: 0.000 (Z= 0.000)
    Max. delta: 5.986 (Z= 2.138)
    Mean delta: 0.935 (Z= 0.421)

    ———-Dihedral angles———-

    All restrained atoms within 4.0 sigma of ideal values.

    Min. delta: 0.003 (Z= 0.001)
    Max. delta: 82.298 (Z= 3.581)
    Mean delta: 13.382 (Z= 0.868)

    ———-Chiral volumes———-

    All restrained atoms within 4.0 sigma of ideal values.

    Min. delta: 0.000
    Max. delta: 0.273
    Mean delta: 0.075

    ———-Planar groups———-

    All restrained atoms within 4.0 sigma of ideal values.

    Min. delta: 0.000
    Max. delta: 0.015
    Mean delta: 0.003

    ============================ Molprobity validation ============================

    Geometry Restraints Library: GeoStd + Monomer Library
    Deviations from Ideal Values – rmsd, rmsZ for bonds and angles.
    Bond : 0.006 0.037 2073 Z= 0.275
    Angle : 0.935 5.986 2783 Z= 0.421
    Chirality : 0.075 0.273 315
    Planarity : 0.003 0.015 351
    Dihedral : 13.382 82.298 821
    Min Nonbonded Distance : 2.245

    Molprobity Statistics.
    All-atom Clashscore : 1.19
    Ramachandran Plot:
    Outliers : 0.00 %
    Allowed : 1.22 %
    Favored : 98.78 %
    Rotamer:
    Outliers : 1.78 %
    Allowed : 2.67 %
    Favored : 95.56 %
    Cbeta Deviations : 0.00 %
    Peptide Plane:
    Cis-proline : 0.00 %
    Cis-general : 0.00 %
    Twisted Proline : 0.00 %
    Twisted General : 0.00 %

    Rama-Z values with (uncertainties):
    Interpretation: poor |Rama-Z| > 3; suspicious 2 < |Rama-Z| < 3; good |Rama-Z| < 2.
    Scores below are scaled independently, so they are not related in a simple way.
    whole: -0.54 (0.49), residues: 255
    helix: 0.41 (0.41), residues: 147
    sheet: -2.74 (0.73), residues: 27
    loop : -0.66 (0.62), residues: 81

    Max deviation from planes:
    Type MaxDev MeanDev LineInFile
    ARG 0.010 0.001 ARG A 107
    TYR 0.020 0.004 TYR A 247
    PHE 0.027 0.004 PHE A 212
    TRP 0.007 0.002 TRP A 15
    HIS 0.007 0.003 HIS A 136

    Details of bonding type rmsd
    covalent geometry : bond 0.00637 ( 2073)
    covalent geometry : angle 0.93524 ( 2783)

    ———-Asn/Gln/His flips———-

    A 171 ASN

    =================================== Summary ===================================

    Ramachandran outliers = 0.00 %
    favored = 98.78 %
    Rotamer outliers = 1.78 %
    C-beta deviations = 0
    Clashscore = 1.19
    RMS(bonds) = 0.0064
    RMS(angles) = 0.94
    MolProbity score = 1.02
    Refinement program = REFMAC

    고해상도 구조 특유의 호환성 이슈를 방지하고 순수 단백질 골격 교정에 집중하기 위해 사전 전처리를 거쳤습니다:

    • 결정화 첨가제 제거: 결합에 불필요한 유기 용매인 MPD 분자를 삭제했습니다.

    • 곁사슬 다중 형태 정리: 1.56 Å 분해능에서 2개씩 존재하던 대체 곁사슬(Alternate Conformation, altloc B/C)을 정리하고 주 형태(altloc A) 단일 좌표로 통일했습니다.

    • C-말단 결합 보정: C-말단 글루탐산(GLU 249)에 누락되었던 말단 산소(OXT)를 정상 결합 형태로 보정했습니다.

    2. 3단계 교차 정제 결과: 압도적인 결함 교정

    전자밀도 맵(Map) 없이 순수 좌표 기반으로 [CosmicDistiller(CCTBX) → HanjariNebula(AMBER14SB) → CosmicDistiller]의 3단계 파이프라인을 가동했습니다.

    • All-Atom Clashscore: 1.19 → 0.49 (비물리적 원자 충돌 완벽 제어)

    • Rotamer Outliers: wwPDB에서 지적되었던 4개 잔기 이상치(1.8%) → 0.00% (완전 소거)

    • Ramachandran Outliers: 주쇄 2면각 이상치 0.00% 완벽 방어

    • 수화 쉘 재구성: 표면 결합 포켓을 따라 정밀한 결정학적 물 분자 +128 HOH 안착

    • MolProbity Score: 0.67 달성 (글로벌 PDB 상위 0.1% 극초고품질)

    • 총 소요 시간: 168.46초 (약 2분 48초)

    =============================== Model properties ==============================

    Number of:
    all atoms : 4242
    H or D atoms : 2104
    chains : 2
    a.a. residues : 248
    nucleotides : 0
    water : 128
    other (ligands): 0
    Ligands: None

    ============================= Geometry restraints =============================

    ———-Bond lengths———-

    All restrained atoms within 4.0 sigma of ideal values.

    Min. delta: 0.000 (Z= 0.000)
    Max. delta: 0.008 (Z= 0.306)
    Mean delta: 0.001 (Z= 0.042)

    ———-Bond angles———-

    All restrained atoms within 4.0 sigma of ideal values.

    Min. delta: 0.000 (Z= 0.000)
    Max. delta: 3.312 (Z= 1.125)
    Mean delta: 0.276 (Z= 0.145)

    ———-Dihedral angles———-

    All restrained atoms within 4.0 sigma of ideal values.

    Min. delta: 0.001 (Z= 0.000)
    Max. delta: 84.746 (Z= 3.465)
    Mean delta: 14.987 (Z= 0.834)

    ———-Chiral volumes———-

    All restrained atoms within 4.0 sigma of ideal values.

    Min. delta: 0.000
    Max. delta: 0.129
    Mean delta: 0.038

    ———-Planar groups———-

    All restrained atoms within 4.0 sigma of ideal values.

    Min. delta: 0.000
    Max. delta: 0.022
    Mean delta: 0.002

    ============================= Hydrogen validation =============================

    ———-H/D atoms in the input model———-

    Total number of hydrogen atoms : 2104
    Total number of deuterium atoms: 0
    Number of H atoms (protein) : 2104
    Number of D atoms (protein) : 0
    Number of H atoms (water) : 0
    Number of D atoms (water) : 0
    Number of H atoms (other) : 0
    Number of D atoms (other) : 0

    ———-Water molecules———-

    Number of water : 128
    Number of water with 0 H (or D) : 128
    Number of water with 1 H (or D) : 0
    Number of water with 2 H (or D) : 0
    Number of water in alternative conformation: 0
    Number of water without oxygen atom : 0

    ———-MISSING H or D atoms———-

    HIS A 11 conformer : HE2
    HIS A 135 conformer : HE2

    ============================ Molprobity validation ============================

    Geometry Restraints Library: GeoStd + Monomer Library + CDL v1.2
    Deviations from Ideal Values – rmsd, rmsZ for bonds and angles.
    Bond : 0.001 0.008 2039 Z= 0.042
    Angle : 0.276 3.312 2735 Z= 0.145
    Chirality : 0.038 0.129 311
    Planarity : 0.002 0.022 346
    Dihedral : 14.987 84.746 803
    Min Nonbonded Distance : 2.595

    Molprobity Statistics.
    All-atom Clashscore : 0.49
    Ramachandran Plot:
    Outliers : 0.00 %
    Allowed : 1.22 %
    Favored : 98.78 %
    Rotamer:
    Outliers : 0.00 %
    Allowed : 7.21 %
    Favored : 92.79 %
    Cbeta Deviations : 0.00 %
    Peptide Plane:
    Cis-proline : 0.00 %
    Cis-general : 0.00 %
    Twisted Proline : 0.00 %
    Twisted General : 0.00 %

    Rama-Z values with (uncertainties):
    Interpretation: poor |Rama-Z| > 3; suspicious 2 < |Rama-Z| < 3; good |Rama-Z| < 2.
    Scores below are scaled independently, so they are not related in a simple way.
    whole: 2.13 (0.58), residues: 246
    helix: 2.97 (0.48), residues: 141
    sheet: -1.56 (0.94), residues: 27
    loop : -0.43 (0.64), residues: 78

    Max deviation from planes:
    Type MaxDev MeanDev LineInFile
    ARG 0.000 0.000 ARG A 106
    TYR 0.001 0.000 TYR A 131
    PHE 0.001 0.000 PHE A 180
    TRP 0.001 0.000 TRP A 14
    HIS 0.001 0.000 HIS A 135

    Details of bonding type rmsd
    covalent geometry : bond 0.00101 ( 2039)
    covalent geometry : angle 0.27639 ( 2735)

    ———-Asn/Gln/His flips———-

    A 170 ASN

    =================================== Summary ===================================

    Ramachandran outliers = 0.00 %
    favored = 98.78 %
    Rotamer outliers = 0.00 %
    C-beta deviations = 0
    Clashscore = 0.49
    RMS(bonds) = 0.0010
    RMS(angles) = 0.28
    MolProbity score = 0.67

    [기술 검증 데이터] 3V68 (PF2050) 리파인먼트 전·후 정량적 지표 비교

    1.56 Å 초고해상도 호열성 단백질 구조(PDB ID: 3V68)를 대상으로 All-atom 수소화 및 분자 기하 최적화 엔진을 적용한 전·후 MolProbity / CCTBX 정밀 검증 결과입니다.

    평가 항목 (Metrics) 초기 모델 (Pre) 최종 정제 (Post) 정량적 변화량 (Delta)
    총 원자 수 (All atoms) 2,287 4,242 +1,955 (All-atom 수소화)
    수소 원자 수 (H atoms) 0 2,104 수소 전량 추가 배치
    All-atom Clashscore 1.19 0.49 -58.8% (충돌 해소)
    MolProbity Score 1.02 0.67 -34.3% (품질 상위 진입)
    Rotamer Outliers 1.78% 0.00% 100% 정상화 (이상치 박멸)
    Ramachandran Favored / Outliers 98.78% / 0.00% 98.78% / 0.00% 0.00%p (주쇄 위상 100% 보존)
    최소 비결합 원자 간격 (Min Nonbonded) 2.245 Å 2.595 Å +0.350 Å (물리적 안전 반경 확보)
    Bond Length RMSD (Z-score) 0.006 Å (Z = 0.275) 0.001 Å (Z = 0.042) 편차 83.3% 감소
    Bond Angle RMSD (Z-score) 0.935° (Z = 0.421) 0.276° (Z = 0.145) 편차 70.5% 감소
    Chiral Volume Mean Delta 0.075 0.038 49.3% 개선
    Rama-Z (Beta-sheet) -2.74 (0.73) -1.56 (0.94) +1.18 (의심 구간 탈출 → 정상)
    Rama-Z (Whole) -0.54 (0.49) 2.13 (0.58) 기하 구속 가중치 반영

    3. 핵심 검증: 원본 실험 구조 뼈대(Fold)의 완벽한 보존

    Map-free 정제에서 가장 경계해야 할 위험은 맵의 구속이 없어 단백질 고유의 3차원 형태가 무너지거나 주쇄가 밀려나는(Drift) 현상입니다.

    정제 완료 후 원본 3V68과 PyMOL 3차원 구조 중첩(align / super)을 수행한 결과:

    • 최종 주쇄 변위: Backbone RMSD = 0.516 Å (1,843개 원자 매칭)

    0.51 Å  수준의 미세한 변위는 “실험으로 규명했던 고유의 3차원 접힘 뼈대를 유지하면서, 잔존하던 국소 원자 충돌과 곁사슬 이상치만을 정밀하게 펴냈다”는 것을 객관적으로 증명합니다.  

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