Accurate, Interdisciplinary and Transparent Structure-property Understanding with Deep Native Structural Reasoning
Chen Tang, Yizhou Wang, Jianyu Wu, Lintao Wang, Shixiang Tang, Pengze Li, Encheng Su, Jun Yao, Jiabei Xiao, Yuqi Shi, Jielan Li, Hongxia Hao, Zhangyang Gao, Fang Wu, Ben Fei, Xiangyu Yue, Pan Tan, Bozitao Zhong, Jinouwen Zhang, Aoran Wang, Yan Lu, Jiaheng Liu, Xinzhu Ma, Liang Hong, Mingyue Zheng, Phil Torr, Bowen Zhou, Wanli Ouyang, Lei Bai
arXiv:2607.07708 · 2026-07-09 공개 · arXiv · PDF
scientific-reasoning interpretable-ai multimodal-model structure-aware materials-science large-language-model structure-property protein-ontology
Abstract
Structure-property relationships are foundational to biology, chemistry and materials science, where function, reactivity and physical response emerge from spatial, chemical and periodic organization. Mechanistically explaining these relationships requires interpreting structural evidence through scientific principles and physical constraints, from stereochemistry and bonding to symmetry, energetics and periodic order. However, applying artificial intelligence to this process presents a joint challenge of representation and reasoning: models must preserve domain-native structural information while showing how specific evidence supports predictions under these constraints. Here we introduce SciReasoner, a multimodal scientific foundation model for native structural reasoning across proteins, small molecules and inorganic crystals. SciReasoner discretizes coordinates, topologies and periodic connectivities into a unified structure-aware vocabulary, treating structural tokens as addressable evidence units during reasoning. In homology-controlled Gene Ontology prediction, SciReasoner improves Cellular Component annotation for low-homology and orphan-like proteins, increasing F_{max} from 0.42 to 0.55. In chemistry, it raises single-step retrosynthesis accuracy from 0.63 to 0.72 while generating fragment-level disconnection and precursor-verification traces. In materials science, its representations separate elemental and compound phases and resolve high- and low-band-gap regimes. Across 86 benchmarks, SciReasoner achieves state-of-the-art performance on 67 tasks. Double-blind expert evaluation rates its reasoning traces as preferred or at least comparable to those of a frontier large language model in 98% of cases. By making structure an inspectable substrate for reasoning under scientific constraints, SciReasoner connects accurate prediction with interpretable scientific inference.
한국어 요약
한 줄 요약
SciReasoner는 생물학, 화학, 재료과학 분야에서 구조-특성 관계를 정확하고 해석 가능한 방식으로 추론하는 다중 모달 과학 기초 모델이다.
핵심 기여도
- SciReasoner는 구조 정보를 통합된 구조 인식 어휘로 디스크리트화하여 추론 단계에서 구조 토큰을 주소 지정 가능한 증거 단위로 사용한다.
- 유전자 기능 예측에서, SciReasoner는 낮은 동일성 및 고아 유사 단백질의 세포 구성 요소 주석 정확도를 F_{max} 0.42에서 0.55로 향상시킨다.
- 화학 분해 경로 예측에서 단계별 정확도를 0.63에서 0.72로 높이며, 조각 수준의 분리 및 전구체 검증 추적을 생성한다.
- 86개 벤치마크 중 67개에서 최첨단 성능을 달성하며, 전문가 평가에서 98%의 경우 추론 추적이 선호되거나 동등한 것으로 평가된다.
핵심 아이디어
구조-특성 관계를 해석하기 위해서는 단순한 예측을 넘어, 과학적 제약 하에서 구조적 증거가 어떻게 예측을 지지하는지를 설명해야 한다. SciReasoner는 이 문제를 해결하기 위해 구조 정보(좌표, 위상, 주기적 연결)를 통합된 구조 인식 어휘로 디스크리트화하여, 추론 과정에서 구조 토큰을 주소 지정 가능한 증거 단위로 사용한다. 이는 과학적 제약(예: 입체화학, 결합, 대칭)을 반영하면서 구조를 추론의 기반으로 삼는 새로운 접근법이다.
기술적 접근법
- SciReasoner는 좌표, 위상, 주기적 연결성을 통합된 구조 인식 어휘로 디스크리트화한다.
- 추론 과정에서 구조 토큰은 주소 지정 가능한 증거 단위로 사용된다.
- 학습은 단백질, 소분자, 무기 결정 구조에 걸쳐 이루어진다.
- 모델은 다중 모달 과학 기초 모델로, 구조 정보를 기반으로 예측과 해석을 동시에 수행한다.
주요 결과
- 유전자 기능 예측(Gene Ontology)에서, SciReasoner는 Cellular Component 주석 정확도를 F_{max} 0.42에서 0.55로 향상시킨다.
- 화학 분해 경로 예측에서, 단계별 정확도를 0.63에서 0.72로 높인다.
- 재료과학에서, SciReasoner는 원소 및 화합물 상을 구분하고, 고·저 밴드 갭 영역을 해결한다.
- 86개 벤치마크 중 67개에서 최첨단 성능을 달성하며, 전문가 평가에서 98%의 경우 추론 추적이 선호되거나 동등한 것으로 평가된다.
의의 및 한계
SciReasoner는 과학적 제약 하에서 구조를 기반으로 정확하고 해석 가능한 추론을 가능하게 하므로, 예측 정확도와 과학적 해석력을 동시에 달성하는 데 기여한다. 특히, 낮은 동일성 단백질 및 복잡한 화학 반응 경로 예측에서의 성능 향상은 기존 모델의 한계를 극복하는 데 의미가 있다. 그러나 SciReasoner는 특정한 구조 정보에 의존하므로, 비구조적 데이터나 텍스트 기반 추론에는 한계가 있을 수 있다.
실용적 활용
SciReasoner는 단백질 기능 예측, 화학 합성 경로 설계, 재료 특성 분석 등에서 과학적 해석과 정확도를 동시에 요구하는 연구 및 산업 분야에 적용될 수 있다. 특히, 낮은 동일성 단백질 분석 및 복잡한 화학 반응 경로 예측에 유용하다.