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

대상 구조: PDB ID 9OM3 (360개 체인, 71,640개 잔기, 비수소 원자 553,500개)
입력 데이터 상태: 저해상도 피팅 특성상 주쇄 및 프롤린 인접 잔기 구간에 다수의 결합각 응력이 누적되어 있는 상태
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)
연산 규모: 총 586,914개 원자 (단백질 553,500 + 수화 셸 33,414)
최소화 파이프라인: CCTBX/Phenix 환경 기반 지오메트리 최소화 (내부 Riding Hydrogen 모델 연동, Hybrid-36 전역 인덱싱 적용)
소요 시간: 단일 워크스테이션 노드 기준 총 2,938.59초 (약 48분 58초)

Validation Benchmark

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

Single-pass minimization benchmark without parameter overfitting

Geometry Restraints: GeoStd + CDL v1.2

3. 데이터 관점의 기술적 고찰

1) 공유결합 기하학(Covalent Geometry)의 정상화

원본 모델의 경우 Clashscore는 1.35로 양호하게 기록되었으나, 내부적으로는 Arg46-Pro47( $8.1\sigma$ , $128.33^\circ$ ), Gly48-Pro49( $7.8\sigma$ , $127.81^\circ$ ) 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, $4.0\sigma$ 를 초과하는 결합각 및 결합길이 이상치가 단 한 건도 남지 않고 전량 해소되었습니다.

2) 입체 충돌(Clashscore) 변화에 대한 물리적 해석

정제 모델의 Clashscore는 1.35에서 2.63으로 소폭 조정되었습니다.
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.
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.