A Cell-Free Gene Expression Platform for Discovering and Characterizing Stop Codon Suppressing tRNAs

转移RNA 氨酰tRNA合成酶 翻译(生物学) 基因 计算生物学 生物 合成生物学 终止密码子 氨基酸 无细胞蛋白质合成 蛋白质生物合成 信使核糖核酸 核糖核酸 遗传学
作者
Kosuke Seki,Joseph L. Galindo,Ashty S. Karim,Michael C. Jewett
出处
期刊:ACS Chemical Biology [American Chemical Society]
卷期号:18 (6): 1324-1334
标识
DOI:10.1021/acschembio.3c00051
摘要

Non-canonical amino acids (ncAAs) can be incorporated into peptides and proteins to create new properties and functions. Site-specific ncAA incorporation is typically enabled by orthogonal translation systems comprising a stop codon suppressing tRNA (typically UAG), an aminoacyl-tRNA synthetase, and an ncAA of interest. Unfortunately, methods to discover and characterize suppressor tRNAs are limited because of laborious and time-consuming workflows in living cells. In this work, we develop anEscherichia coli crude extract-based cell-free gene expression system to rapidly express and characterize functional suppressor tRNAs. Our approach co-expresses orthogonal tRNAs using endogenous machinery alongside a stop-codon containing superfolder green fluorescent protein (sfGFP) reporter, which can be used as a simple read-out for suppression. As a model, we evaluate the UAG and UAA suppressing activity of several orthogonal tRNAs. Then, we demonstrate that co-transcription of two mutually orthogonal tRNAs can direct the incorporation of two unique ncAAs within a single modified sfGFP. Finally, we show that the cell-free workflow can be used to discover putative UAG-suppressor tRNAs found in metagenomic data, which are nonspecifically recognized by endogenous aminoacyl-tRNA synthetases. We anticipate that our cell-free system will accelerate the development of orthogonal translation systems for synthetic biology.
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