Improved Bst DNA Polymerase Variants Derived via a Machine Learning Approach

热稳定性 变性(裂变材料) 环介导等温扩增 蛋白质工程 定向进化 DNA 化学 聚合酶 等温过程 生物化学 DNA聚合酶 生物物理学 突变体 生物 基因 热力学 物理 核化学
作者
Inyup Paik,Phuoc H. T. Ngo,Raghav Shroff,Daniel J. Diaz,Andre C. Maranhao,David J. F. Walker,Sanchita Bhadra,Andrew D. Ellington
出处
期刊:Biochemistry [American Chemical Society]
卷期号:62 (2): 410-418 被引量:48
标识
DOI:10.1021/acs.biochem.1c00451
摘要

The DNA polymerase I from Geobacillus stearothermophilus (also known as Bst DNAP) is widely used in isothermal amplification reactions, where its strand displacement ability is prized. More robust versions of this enzyme should be enabled for diagnostic applications, especially for carrying out higher temperature reactions that might proceed more quickly. To this end, we appended a short fusion domain from the actin-binding protein villin that improved both stability and purification of the enzyme. In parallel, we have developed a machine learning algorithm that assesses the relative fit of individual amino acids to their chemical microenvironments at any position in a protein and applied this algorithm to predict sequence substitutions in Bst DNAP. The top predicted variants had greatly improved thermotolerance (heating prior to assay), and upon combination, the mutations showed additive thermostability, with denaturation temperatures up to 2.5 °C higher than the parental enzyme. The increased thermostability of the enzyme allowed faster loop-mediated isothermal amplification assays to be carried out at 73 °C, where both Bst DNAP and its improved commercial counterpart Bst 2.0 are inactivated. Overall, this is one of the first examples of the application of machine learning approaches to the thermostabilization of an enzyme.
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