Model-guided engineering of DNA sequences with predictable site-specific recombination rates.
Model-guided engineering of DNA sequences with predictable site-specific recombination rates.
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DOI：
10.1038/s41467-022-31538-3
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发表时间：
2022-07-20
影响因子：
16.6
通讯作者：
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
位点特异性重组（Site-specific recombination， SSR）是合成生物学中的重要工具，但其应用受到无法预测SSR反应速率的限制。通过修改DNA底物序列可以实现简单的速率操纵；然而，这种方法缺乏合理的设计原则。在此，我们开发了一种集成的实验和计算方法来设计DNA连接序列attP，以预测调节重组酶Bxb1介导的倒置反应。在开发了一种qPCR方法来测量SSR反应率之后，我们设计，选择和排序attP文库，以告知机器学习模型，该模型计算Bxb1反转率作为attP序列的函数。我们使用这个模型来预测体外attP变异的反应速率，并证明它们在大肠杆菌基因电路设计中的实用性。我们的高通量、模型导向的方法合理调整SSR反应速率，增强了我们对重组酶功能的理解，扩展了合成生物学工具箱。位点特异性重组（Site-specific recombination， SSR）是合成生物学中的重要工具，但其应用受到无法预测SSR反应速率的限制。在这里，利用定量高通量实验和机器学习，作者实现了对DNA附着位点序列的合理控制，以可预测地调节体外和细胞中位点特异性重组率。
Site-specific recombination (SSR) is an important tool in synthetic biology, but its applications are limited by the inability to predictably tune SSR reaction rates. Facile rate manipulation could be achieved by modifying the DNA substrate sequence; however, this approach lacks rational design principles. Here, we develop an integrated experimental and computational method to engineer the DNA attachment sequence attP for predictably modulating the inversion reaction mediated by the recombinase Bxb1. After developing a qPCR method to measure SSR reaction rate, we design, select, and sequence attP libraries to inform a machine-learning model that computes Bxb1 inversion rate as a function of attP sequence. We use this model to predict reaction rates of attP variants in vitro and demonstrate their utility in gene circuit design in Escherichia coli. Our high-throughput, model-guided approach for rationally tuning SSR reaction rates enhances our understanding of recombinase function and expands the synthetic biology toolbox. Site-specific recombination (SSR) is an important tool in synthetic biology, but its applications are limited by the inability to predictably tune SSR reaction rates. Here, using quantitative high-throughput experiments and machine learning, the authors achieve rational control of a DNA attachment site sequence to predictably modulate site-specific recombination rates both in vitro and in cells.
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