Evolution of Organic Solvent-Resistant DNA Polymerases

聚合酶 聚合酶 聚合酶链反应 核酸 化学 定向进化 DNA聚合酶 DNA洗牌 DNA 生物化学 超嗜热菌 基因 水热 突变体 古细菌
作者
Mohammed Elias,Xiangying Guan,Devin Hudson,Rahul Bose,Joon Hyeok Kwak,Ioanna P. Petrounia,Kenza Touah,Sourour Mansour,Yue Peng,Gauthier Errasti,Thomas Delacroix,Anisha Ghosh,Raj Chakrabarti
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:12 (11): 3170-3188 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acssynbio.2c00515
摘要

The introduction of thermostable polymerases revolutionized the polymerase chain reaction (PCR) and biotechnology. However, many GC-rich genes cannot be PCR-amplified with high efficiency in water, irrespective of temperature. Although polar organic cosolvents can enhance nucleic acid polymerization and amplification by destabilizing duplex DNA and secondary structures, nature has not selected for the evolution of solvent-tolerant polymerase enzymes. Here, we used ultrahigh-throughput droplet-based selection and deep sequencing along with computational free-energy and binding affinity calculations to evolve Taq polymerase to generate enzymes that are both stable and highly active in the presence of organic cosolvents, resulting in up to 10% solvent resistance and over 100-fold increase in stability at 97.5 °C in the presence of 1,4-butanediol, as well as tolerance to up to 10 times higher concentrations of the potent cosolvents sulfolane and 2-pyrrolidone. Using these polymerases, we successfully amplified a broad spectrum of GC-rich templates containing regions with over 90% GC content, including templates recalcitrant to amplification with existing polymerases, even in the presence of cosolvents. We also demonstrated dramatically reduced GC bias in the amplification of genes with widely varying GC content in quantitative polymerase chain reaction (qPCR). By expanding the scope of solvent systems compatible with nucleic acid polymerization, these organic solvent-resistant polymerases enable a dramatic reduction of sequence bias not achievable through thermal resistance alone, with significant implications for a wide range of applications including sequencing and synthetic biology in mixed aqueous-organic media.
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