A portable orthogonal replication system enables continuous gene evolution near the biological speed limit

遗传学 生物 计算生物学 突变 定向进化 基因 突变 DNA复制 序列空间 突变率 体细胞突变 功能(生物学) DNA 计算机科学 定向诱变 复制(统计) 可识别性 序列(生物学) DNA聚合酶 聚合酶 复制子 算法 DNA测序 选择(遗传算法) 分子进化 合成生物学 基因组DNA
作者
Rongzhen Tian,Fabian B. H. Rehm,Matthew Kenneth,Kiarash Jamali,Petar S. Zhotev,Kim C. Liu,Jason W. Chin
出处
期刊: [Cold Spring Harbor Laboratory]
被引量:2
标识
DOI:10.64898/2026.02.20.706958
摘要

Abstract Orthogonal DNA replication systems uncouple the mutagenesis of target genes from host viability, enabling target gene hypermutation beyond the genomic critical error threshold and thereby unlocking access to greater sequence space for accelerated evolution. Here we introduce a series of upgrades to the E. coli orthogonal replication system, EcORep. We develop strategies to efficiently establish, engineer, and transform orthogonal replicons. We develop and utilize replicon-REXER to establish a 77 kb replicon, the largest orthogonal replicon reported to date. Directed evolution of the orthogonal DNA polymerase yielded variants with mutation rates of ∼10 -4 substitutions per base per generation and best-in-class mutational spectra. These polymerases are three orders of magnitude more mutagenic than the first-generation EcORep system, enable mutagenesis at one million times the genomic levels, and straddle the evolutionary critical error threshold for the mutation of genes tested. Using the highly mutagenic EcORep system, we rapidly evolve an ethanol assimilation pathway for increased performance. Furthermore, we find that the three components sufficient to drive the minimal EcORep system enable O-replication systems to be established in other Gram-negative bacteria. Thus, we establish VinORep in Vibrio natriegens . VinORep combines O-replicon mutation, around the limit for molecular evolution of genes, with the fastest growing organism, to realize gene evolution approaching the biological speed limit. We exemplify the utility of this advance through the rapid evolution of new function – via the accumulation of tens of mutations, and selection – in 16 hours.
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