Continuous Cell-Free Replication and Evolution of Artificial Genomic DNA in a Compartmentalized Gene Expression System

生物 滚动圆复制 DNA复制 重组酶 基因组DNA 半保守复制 DNA 遗传学 基因 DNA聚合酶 染色体复制控制 分子生物学 细胞生物学 重组
作者
Hiroki Okauchi,Norikazu Ichihashi
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:10 (12): 3507-3517 被引量:23
标识
DOI:10.1021/acssynbio.1c00430
摘要

In all living organisms, genomic DNA continuously replicates by the proteins encoded in itself and undergoes evolution through many generations of replication. This continuous replication coupled with gene expression and the resultant evolution are fundamental functions of living things, but they have not previously been reconstituted in cell-free systems. In this study, we combined an artificial DNA replication scheme with a reconstituted gene expression system and microcompartmentalization to realize these functions. Circular DNA replicated through rolling-circle replication followed by homologous recombination catalyzed by the proteins, phi29 DNA polymerase, and Cre recombinase expressed from the DNA. We encapsulated the system in microscale water-in-oil droplets and performed serial dilution cycles. Isolated circular DNAs at Round 30 accumulated several common mutations, and the isolated DNA clones exhibited higher replication abilities than the original DNA due to its improved ability as a replication template, increased polymerase activity, and a reduced inhibitory effect of polymerization by the recombinase. The artificial genomic DNA, which continuously replicates using self-encoded proteins and autonomously improves its sequence, provides a useful starting point for the development of more complex artificial cells.

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