[10] Schrodinger Maestro : PDB로 부터 Protein 다루기

Schrodinger for CADD

CADD 업무를 수행하기 위해 다양한 프로그램을 이용할 수 있다. 그중에서도 높은 성능을 보이고, 매 분기 꾸준한 업데이트를 진행하는 Schrodinger 사의 Maestro를 이용하여 화합물과 단백질 구조들을 주로 다루는 것을 앞으로 이야기해보고자 한다.

생체 내 타겟(단백질 등)이라는 입체 자물쇠 구조에 맞는 화합물 열쇠를 찾는 것이 신약개발의 목표이기 때문에, 우리는 항상 두 가지를 준비해야 한다. 바로, 단백질 구조와 Docking 하려는 화합물 구조이다. 타겟과 구조에 따라 다르지만, 저분자 화합물의 분자량은 약 500 내외이고, 단백질 구조는 이 보다 몇백 배는 큰 분자량을 가지고 있다. 따라서 저분자 화합물은 Chemdraw나 Marvin과 같이 화합물 구조를 그려서 활용할 수 있지만 단백질 구조는 스스로 3D 구조를 그리기가 쉽지 않다. 그래서 일반적으로 단백질을 정제한 후 NMR, 전자현미경, X-Ray를 이용하여 각 원소위 X, Y, Z 좌표가 포함된 .pdb형태의 파일로 저장하여 다루게 된다. 논문, 특허 등의 자료에 공개된 단백질 데이터는 Open Source로 누구나 이용할 수 있으며 다음의 사이트에서 검색해서 활용할 수 있다. RCSB 사이트

7UYR 의 PDB를 예로 들면 RCSB에서 다운로드할 수 있고, 슈뢰딩거 프로그램에서 Get PDB File을 이용해 직접 Import 할 수도 있다. 만약 내가 목표로 하는 타겟의 단백질 3D 정보가 없다면, Sequence만으로도 3D 정보를 유추할 수 있다. 바로 구글 Alphafold2에서 제공하는 딥러닝 예측 프로그램으로 PDB정보를 얻을 수 있다. Alphafold2.ipynb

만약 알려진 시퀀스가 특정 단백질의 서열이라면 이미 만들어진 PDB를 그대로 사용이 가능하다. Alphafold 홈페이지

Get PDB : 7UYR

Protein Preparation Wizard

어느 방법이든지, PDB를 Workspce에 Import 한 후 Protein Preparation Wizard(이하 PPW) Job을 아래와 같이 실행한다.

Protein Preparation Wizard

뭔가 복잡한 창들과 설정 값이 많지만 일반적으로 슈뢰딩거 사의 프로그램들은 Default 값으로 사용해도 무관한 경우가 많으니 겁먹지 않아도 괜찮다. 세부 정보에 대한 내용은 다음의 공식 홈페이지를 사용해서 참고할 수 있다. 링크

PPW는 세 개의 탭으로 이루어져 있다. Import and Process / Review and Modify / Refinement이다. 처으 탭인 Import nd Process에서는 PDB파일 내의 아미노산 서열이 missing 되거나 불완전한 부분을 보정해 준다. Preprocess를 누르면 작업이 진행된다.  

Missing Side Chains

간혹 일부 PDB 파일에서는 아미노산의 구조가 불완전한 경우가 있다. Add Missing Side Chains 버튼을 클릭 후 Update 버튼을 클릭하여 정상적인 구조로 변경해주자

Review and Modify

Review and Modify 탭에서는 PDB정보에 기록되어 있는 Hierarchy(계층)별로 선택하여 조회할 수 있다. 리간드와 단백질, 금속원소 등을 구분하여 확인하고 시각화할 수 있다.

Refine

Refine 탭에서는 수소결합을 보정하고(Optimize), 물분자를 선택적으로 제거할 수 있다.(Remove Water) 모든 전처리 작업이 끝난 후 빈 공간과 변화된 작용기를 모두 고려한 가장 안정한 상태의 구조로 변화시켜야 하므로 Minimize를 통해 전처리 작업을 완료하면 된다.

Result

그렇게 하면 위와 같이 왼쪽의 PDB file로 부터 오른쪽의 정제된 구조가 얻어진다. 얼핏 보면 같아 보이지만, 왼쪽에는 수소 원자가 모두 생략되어 있고 일부 아미노산 서열이 결여되어 있다. 3D pose도 이 보정값이 고려되기 때문에 약간 달라지는 모습을 보인다.

이렇게 되면 X-Ray등의 결정구조를 이용하여 Docking 등의 CADD를 하기 위한 Protein의 전처리 작업이 끝났다.