Combinatorial codon scrambling enables scalable gene synthesis and amplification of repetitive proteins

争先恐后 基因 德布鲁恩序列 计算生物学 密码子使用偏好性 生物 计算机科学 遗传学 算法 基因组 数学 组合数学
作者
Nicholas Tang,Ashutosh Chilkoti
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:15 (4): 419-424 被引量:66
标识
DOI:10.1038/nmat4521
摘要

Most genes are synthesized using seamless assembly methods that rely on the polymerase chain reaction (PCR). However, PCR of genes encoding repetitive proteins either fails or generates nonspecific products. Motivated by the need to efficiently generate new protein polymers through high-throughput gene synthesis, here we report a codon-scrambling algorithm that enables the PCR-based gene synthesis of repetitive proteins by exploiting the codon redundancy of amino acids and finding the least-repetitive synonymous gene sequence. We also show that the codon-scrambling problem is analogous to the well-known travelling salesman problem, and obtain an exact solution to it by using De Bruijn graphs and a modern mixed integer linear programme solver. As experimental proof of the utility of this approach, we use it to optimize the synthetic genes for 19 repetitive proteins, and show that the gene fragments are amenable to PCR-based gene assembly and recombinant expression.
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