Continuous directed evolution of aminoacyl-tRNA synthetases

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作者
David I. Bryson,Chenguang Fan,Litao Guo,Corwin Miller,Dieter Söll,David R. Liu
出处
期刊:Nature Chemical Biology [Nature Portfolio]
卷期号:13 (12): 1253-1260 被引量:238
标识
DOI:10.1038/nchembio.2474
摘要

The use of phage-assisted continuous evolution (PACE) with both positive and negative selection enables the rapid development of orthogonal aminoacyl-tRNA synthetases with high activity and selectivity for noncanonical amino acids. Directed evolution of orthogonal aminoacyl-tRNA synthetases (AARSs) enables site-specific installation of noncanonical amino acids (ncAAs) into proteins. Traditional evolution techniques typically produce AARSs with greatly reduced activity and selectivity compared to their wild-type counterparts. We designed phage-assisted continuous evolution (PACE) selections to rapidly produce highly active and selective orthogonal AARSs through hundreds of generations of evolution. PACE of a chimeric Methanosarcina spp. pyrrolysyl-tRNA synthetase (PylRS) improved its enzymatic efficiency (kcat/KMtRNA) 45-fold compared to the parent enzyme. Transplantation of the evolved mutations into other PylRS-derived synthetases improved yields of proteins containing noncanonical residues up to 9.7-fold. Simultaneous positive and negative selection PACE over 48 h greatly improved the selectivity of a promiscuous Methanocaldococcus jannaschii tyrosyl-tRNA synthetase variant for site-specific incorporation of p-iodo-L-phenylalanine. These findings offer new AARSs that increase the utility of orthogonal translation systems and establish the capability of PACE to efficiently evolve orthogonal AARSs with high activity and amino acid specificity.

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