Mirages in continuous directed enzyme evolution: A cautionary case study with plantized bacterial THI4 enzymes

定向进化 非同义代换 生物 定向分子进化 细菌基因组大小 细菌生长 基因 酵母 植物生长 遗传学 细菌 基因组 生物技术 生物化学 植物 突变体
作者
Kristen Van Gelder,Anuran K Gayen,Andrew D. Hanson
出处
期刊: [Cold Spring Harbor Laboratory]
标识
DOI:10.1101/2024.11.19.624164
摘要

Abstract Continuous directed evolution (CDE) improves enzyme characteristics by hypermutating the enzyme gene in vivo in a microbial platform, linking enzyme activity to growth, and selecting for growth rate. Combined with genome editing, CDE can expand the gene pool for plant breeding. THI4 enzymes, essential for thiamin synthesis, are ideal targets for plant CDE. Plant THI4s are inefficient; their replacement by efficient bacterial THI4s could boost biomass yield by up to 4%. However, bacterial THI4s are O 2 -sensitive and unsuited to plants. Previous CDE campaigns in the yeast OrthoRep system adapted bacterial THI4s for plant-like conditions, achieving success with Mucinivorans hirudinis THI4 (MhTHI4), which acquired beneficial mutations that improved growth. Here, we increased selection pressure on MhTHI4 by reducing its expression, leading to faster-growing populations with new nonsynonymous and synonymous mutations. Surprisingly, the synonymous mutations appeared largely responsible for the growth rate improvements, providing a cautionary example for other OrthoRep CDE projects.
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