Abstract A major challenge in protein design is to augment existing functional proteins with multiple property enhancements. Altering several properties likely necessitates numerous primary sequence changes, and novel methods are needed to accurately predict combinations of mutations that maintain or enhance function. Models of sequence co-variation (e.g., EVcouplings), which leverage extensive information about various protein properties and activities from homologous protein sequences, have proven effective for many applications including structure determination and mutation effect prediction. We apply EVcouplings to computationally design variants of the model protein TEM-1 β -lactamase. Nearly all the 14 experimentally characterized designs were functional, including one with 84 mutations from the nearest natural homolog. The designs also had large increases in thermostability, increased activity on multiple substrates, and nearly identical structure to the wild type enzyme. This study highlights the efficacy of evolutionary models in guiding large sequence alterations to generate functional diversity for protein design applications.

Abstract Designing optimized proteins is important for a range of practical applications. Protein design is a rapidly developing field that would benefit from approaches that enable many changes in the amino acid primary sequence, rather than a small number of mutations, while maintaining structure and enhancing function. Homologous protein sequences contain extensive information about various protein properties and activities that have emerged over billions of years of evolution. Evolutionary models of sequence co-variation, derived from a set of homologous sequences, have proven effective in a range of applications including structure determination and mutation effect prediction. In this work we apply one of these models (EVcouplings) to computationally design highly divergent variants of the model protein TEM-1 β-lactamase, and characterize these designs experimentally using multiple biochemical and biophysical assays. Nearly all designed variants were functional, including one with 84 mutations from the nearest natural homolog. Surprisingly, all functional designs had large increases in thermostability and most had a broadening of available substrates. These property enhancements occurred while maintaining a nearly identical structure to the wild type enzyme. Collectively, this work demonstrates that evolutionary models of sequence co-variation (1) are able to capture complex epistatic interactions that successfully guide large sequence departures from natural contexts, and (2) can be applied to generate functional diversity useful for many applications in protein design.

DNA replication occurs on chromosomal DNA while processes such as DNA repair, recombination and transcription continue. However, we have limited experimental tools to study the consequences of collisions between DNA-bound molecular machines. Here, we repurpose a catalytically inactivated Cas9 (dCas9) construct fused to the photo-stable dL5 protein fluoromodule as a novel, targetable protein-DNA roadblock for studying replication fork arrest at the single-molecule level in vitro as well as in vivo. We find that the specifically bound dCas9-guideRNA complex arrests viral, bacterial and eukaryotic replication forks in vitro.

Structural and biochemical studies have revealed the basic principles of how the replisome duplicates genomic DNA, but little is known about its dynamics during DNA replication. We reconstitute the 34 proteins needed to form the S. cerevisiae replisome and show how changing local concentrations of the key DNA polymerases tunes the ability of the complex to efficiently recycle these proteins or to dynamically exchange them. Particularly, we demonstrate redundancy of the Pol α DNA polymerase activity in replication and show that Pol α primase and the lagging-strand Pol δ can be re-used within the replisome to support the synthesis of large numbers of Okazaki fragments. This unexpected malleability of the replisome might allow it to deal with barriers and resource challenges during replication of large genomes.