Twinkle-Catalyzed Toehold-Mediated DNA Strand Displacement Reaction

分支迁移 化学 DNA 解旋酶 同源重组 催化作用 生物物理学 核酸 碱基对 生物化学 核糖核酸 霍利迪路口 基因 生物
作者
Anupam Singh,Gayatri Patel,Smita S. Patel
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
被引量:1
标识
DOI:10.1021/jacs.3c04970
摘要

Strand exchange between homologous nucleic acid sequences is the basis for cellular DNA repair, recombination, and genome editing technologies. Specialized enzymes catalyze cellular strand exchange; however, the reaction occurs spontaneously when a single-stranded DNA toehold can dock the invader strand on the target DNA to initiate strand exchange through branch migration. Due to its precise response, the spontaneous toehold-mediated strand displacement (TMSD) reaction is widely employed in DNA nanotechnology. However, enzyme-free TMSD suffers from slow rates, resulting in slow response times. Here, we show that human mitochondrial DNA helicase Twinkle can accelerate TMSD up to 6000-fold. Mechanistic studies indicate that Twinkle accelerates TMSD by catalyzing the docking step, which typically limits spontaneous reactions. The catalysis occurs without ATP, and Twinkle-catalyzed TMSD rates remain sensitive to base-pair mismatches. The simple catalysis, tunability, and speed improvement of the catalyzed TMSD can be leveraged in nanotechnology, requiring sensitive detection and faster response times.
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