Machine learning-guided evolution of pyrrolysyl-tRNA synthetase for improved incorporation efficiency of diverse noncanonical amino acids

转移RNA 氨基酸 氨酰tRNA合成酶 成对比较 计算生物学 定向进化 生物化学 生物 化学 遗传学 计算机科学 人工智能 基因 核糖核酸 突变体
作者
Qunfeng Zhang,Ling Jiang,Y. Niu,Yujie Li,Wanyi Chen,Jinping Cheng,Haote Ding,Binbin Chen,Ke Liu,Jiawen Cao,Junli Wang,Shanli Ye,Lirong Yang,Jianping Wu,Gang Xu,Jianping Lin,Haoran Yu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 6648-6648 被引量:7
标识
DOI:10.1038/s41467-025-61952-2
摘要

The pyrrolysyl-tRNA synthetase (PylRS) is widely used to incorporate noncanonical amino acids (ncAAs) into proteins. However, the yields of most ncAA-containing protein remain low due to the limited activity of PylRS variants. Here, we apply machine learning to engineer the tRNA-binding domain of PylRS. The FFT-PLSR model is first applied to explore pairwise combinations of 12 single mutations, generating a variant Com1-IFRS with an 11-fold increase in stop codon suppression (SCS) efficiency. Deep learning models ESM-1v, Mutcompute, and ProRefiner are then used to identify additional mutation sites. Applying FFT-PLSR on these sites yields a variant Com2-IFRS showing a 30.8-fold increase in SCS efficiency, and up to 7.8-fold improvement in the catalytic efficiency (kcat/KmtRNA). Transplanting these mutations into 7 PylRS-derived synthetases significantly improves the yields of proteins containing 6 types of ncAAs. This paper presents improved PylRS variants and a machine learning framework for optimizing the enzyme activity.
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