Screening-free in vitro evolution of biomolecules with programmed DNA amplification and natural selection

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K14794
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 37030:Chemical biology-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Furubayashi Taro 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特別研究員 (20902620)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 進化工学 / タンパク質工学 / 分子進化 / 指向性進化 / 無細胞翻訳 / 人工細胞 / ダーウィン進化 / DNA複製

Outline of Final Research Achievements

We aimed to construct a screening-free and ultra-efficient in vitro enzyme evolution system. The evolution system developed here is equipped with a DNA self-amplification program that converts the "activity of target enzymes" into "self-amplification of enzyme-coding genes (DNA)" in artificial cells. Evolutionary optimization of the target enzyme occurs through massively parallel DNA self-amplification race among tiny artificial cells (w/o emulsion).
In this study, we achieved (1) Molecular program to convert RNA polymerase activity into DNA replication (2) DNA amplification in a massively parallel femtoliter reactors. Based on the basic technologies established here, we are going on to evolution experiments of an RNA polymerase.

Free Research Field

進化工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

指向性進化は自然の進化プロセスを実験室内で模倣し、有用な機能分子をエンジニアリングする強力な手法である。次世代の進化テクノロジであるin vitro分子進化法において、酵素など複雑な分子を改変する手法は高度な専門性・高額な機器を必要とする。また、進化サイクルを回すには人手と時間を要し、省力化・効率化が求められていた。
本研究では、DNA自己増幅プログラムによる半自動進化というアイデアをin vitro分子進化に持ち込み、困難なスクリーニング無しに高速進化を達成する新しい道筋を提示した。簡単かつ超高効率な分子進化法の実現は、非専門家も巻き込みバイオテクノロジーに大きなインパクトをもたらし得る。