Programming CircLigase Catalysis for DNA Rings and Topologies

化学 DNA 分子内力 核酸 DNA连接酶 滚动圆复制 组合化学 纳米技术 立体化学 生物化学 DNA复制 材料科学
作者
Qingting Li,Shu Zhang,Wei Li,Zhilei Ge,Chunhai Fan,Hongzhou Gu
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:93 (3): 1801-1810 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.0c04668
摘要

Circular single-stranded (ss) DNA is an essential element in rolling circle amplification and many DNA nanotechnology constructions. It is commonly synthesized from linear ssDNA by a ligase, which nevertheless suffers from low and inconsistent efficiency due to the simultaneous formation of concatemeric byproducts. Here, we design an intramolecular terminal hybridization strategy to program the ring formation catalytic process of CircLigase, a thermostable RNA ligase 1 that can ligate ssDNA in an intramolecular fashion. With the enthalpy gained from the programmed hybridization to override disfavored entropic factors associated with end coupling, we broke the limit of natural CircLigase on circularization of ssDNA, realizing over 75% yields of byproduct-free monomeric rings on a series of hundred-to-half-kilo-based linear DNAs. We found that this hybridization strategy can be twisted from intra- to intermolecular to also program CircLigase to efficiently and predominantly join one ssDNA strand to another. We focused on DNA rings premade by CircLigase and demonstrated their utility in elevating the preparation, quantity, and quality of DNA topologies. We expect that the new insights on engineering CircLigase will further promote the development of nucleic acid biotechnology and nanotechnology.
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