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Semi-rational engineering of terminal deoxynucleotidyl transferase for high-efficiency enzymatic de novo DNA synthesis

末端脱氧核苷酸转移酶 突变体 生物化学 酶 化学 DNA DNA合成 蛋白质工程 合成生物学 DNA损伤 计算生物学 转移酶 合理设计 生物 药物发现 基质(水族馆) 分子生物学 组合化学 细胞生物学 可扩展性 领域(数学分析) HEK 293细胞 C端 突变 生物信息学 截断(统计)
作者
Chengjie Zhang,Zhicong He,Zhengquan Gao,Chunxiao Meng,Peng Wei,Lei Du,Shengying Li
出处
期刊:Synthetic and Systems Biotechnology [Elsevier BV]
卷期号:13: 519-530 被引量:4
标识
DOI:10.1016/j.synbio.2026.03.009
摘要

ABSTRACT The 21st century has witnessed rapid advancements in synthetic biology, with DNA synthesis emerging as a foundational technology. Conventional phosphoramidite-based methods face significant limitations, including short DNA elongation lengths (<300 nt), hazardous chemical waste, and low stepwise incorporation efficiency. Enzymatic DNA synthesis using terminal deoxynucleotidyl transferase (TdT) offers a promising alternative, enabling kilobase-scale assembly with greater efficiency and minimal environmental impact. Here, we identified Bos taurus TdT (BtTdT) through UniProt database mining as a catalytically active scaffold for natural and 3′-modified dNTPs. Comprehensive characterization of BtTdT’s enzymatic properties—including pH, temperature, metal ion dependence, and substrate specificity—revealed its optimal conditions. Truncation of the BRCT domain generated variants with enhanced activity compared to wild-type BtTdT. Guided by AlphaFold3-predicted structural models, we engineered a quintuple mutant (M5: Bt15AA R336L/K338G/L397M/E456S/D395G ) optimized for 3′-ONH 2 -dNTP incorporation. M5 exhibited 30-fold activity enhancement relative to the triple mutant M3 (Bt15AA R336L/K338G/L397M ) and achieved stepwise incorporation efficiency exceeding 98% in de novo synthesis of 10-nt ssDNA, demonstrating its potential for scalable enzymatic DNA synthesis. This work establishes a rational framework for TdT engineering through rational domain truncation and computational design, showing potential toward industrial-scale enzymatic DNA manufacturing.

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