처음부터 계산하기 — Ab initio 방법
1980년대~1990년대, 첫 번째 본격 접근 — "물리학으로 처음부터 풀자"는 야심.
📖 Ab initio (라틴어 "처음부터")의 아이디어
"단백질 안의 모든 원자 간 물리 법칙을 다 풀자."
- 원자들의 상호작용을 정확히 표현하는 force field 정의 (CHARMM, AMBER 등)
- 아미노산 서열을 임의의 시작 구조로 배치
- Newton의 운동 방정식을 풀어 시간에 따라 움직임 추적
- 충분히 오래 시뮬레이션하면 에너지 최저 구조로 수렴 (이론상)
이걸 분자 역학 시뮬레이션(Molecular Dynamics, MD)이라 한다.
🎯 장점 — 일반성
- 외부 데이터(다른 단백질의 구조 등) 필요 없음
- 물리 법칙만 있으면 됨 — 모든 단백질에 동일 원리
- 접힘 과정의 동역학을 시간 순서대로 추적 가능
⚠ 단점 — 시간 스케일의 문제
실제 단백질 접힘 시간 — 마이크로초~밀리초 (10-6 ~ 10-3초)
MD 시뮬레이션의 한 스텝 — 약 1~2 펨토초 (10-15초)
그러면 1밀리초 시뮬레이션에 필요한 스텝 수 — 약 1012스텝 (1조 스텝)
- 1990년대 컴퓨터로는 단백질 하나에 수년의 CPU 시간 필요
- 심지어 그렇게 해도 실제 접힘 시간의 일부만 시뮬레이션 가능
- 큰 단백질은 시도조차 불가능
📖 한 사례 — Anton 슈퍼컴퓨터 (2008)
- D. E. Shaw Research가 만든 단백질 접힘 전용 슈퍼컴퓨터
- 일반 컴퓨터보다 약 100배 빠른 MD 시뮬레이션
- 작은 단백질(80 residue 이하)의 밀리초 접힘을 실제로 시뮬레이션해냄
- 큰 진보였지만 — 대부분의 단백질에는 여전히 비현실적
⚠ 또 다른 단점 — Force field의 정확도
"정확한 물리 법칙"이라고 했지만, 실제 force field는 근사다.
- 양자 효과 무시 (전자의 정확한 분포 등)
- 물 분자 처리 단순화
- 경험적으로 fitted된 파라미터들
그래서 시뮬레이션이 충분히 길어져도 정답 구조에 도달 안 할 수 있다 — force field 자체의 한계.
💡 결론 — Ab initio의 위치
물리 기반 접근은 매력적이지만 실용성이 떨어졌다.
- 매우 작은 단백질에만 적용 가능
- 큰 단백질은 비현실적인 계산 시간
- 그래도 단백질 동역학 이해의 기초를 마련
그래서 1990년대 이후 다른 접근들이 주류가 된다 — 다음 섹션부터.