A diverse single-stranded DNA–annealing protein library enables efficient genome editing across bacterial phyla

新月形茎杆菌 谷氨酸棒杆菌 同源重组 基因组编辑 重组工程 DNA 细菌基因组大小 生物 计算生物学 基因组 清脆的 遗传学 基因 细菌蛋白
作者
Gabriel Filsinger,Aaron Mychack,Evan Lyerly,Camilla Henriksen,Thomas M. Bartlett,Helene Kuchwara,Simon Eitzinger,Thomas G. Bernhardt,Suzanne Walker,George M. Church,Timothy M. Wannier
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (17)
标识
DOI:10.1073/pnas.2414342122
摘要

Genome modification is essential for studying and engineering bacteria, yet making efficient modifications to most species remains challenging. Bacteriophage-encoded single-stranded DNA–annealing proteins (SSAPs) can facilitate efficient genome editing by homologous recombination, but their typically narrow host range limits broad application. Here, we demonstrate that a single library of 227 SSAPs enables efficient genome-editing across six diverse bacteria from three divergent classes: Actinomycetia ( Mycobacterium smegmatis and Corynebacterium glutamicum ), Alphaproteobacteria ( Agrobacterium tumefaciens and Caulobacter crescentus ), and Bacilli ( Lactococcus lactis and Staphylococcus aureus ). Surprisingly, the most effective SSAPs frequently originated from phyla distinct from their bacterial hosts, challenging the assumption that phylogenetic relatedness is necessary for recombination efficiency, and supporting the value of a large unbiased library. Across these hosts, the identified SSAPs enable genome modifications requiring efficient homologous recombination, demonstrated through three examples. First, we use SSAPs with Cas9 in C. crescentus to introduce single amino acid mutations with >70% efficiency. Second, we adapt SSAPs for dsDNA editing in C. glutamicum and S. aureus , enabling one-step gene knockouts using PCR products. Finally, we apply SSAPs for multiplexed editing in S. aureus to precisely map the interaction between a conserved protein and a small-molecule inhibitor. Overall, this library-based SSAP screen expands engineering capabilities across diverse, previously recalcitrant microbes, enabling efficient genetic manipulation for both fundamental research and biotechnological applications.
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