Abstract CRISPR-Cas12a is a powerful RNA-guided genome-editing system, also emerging as a robust diagnostic tool that cleaves double-stranded DNA using only the RuvC domain. This opens an overarching question on how the spatially distant DNA target strand (TS) traverses toward the RuvC catalytic core. Here, continuous tens of microsecond-long molecular dynamics and free-energy simulations reveal that an ⍺-helical lid, located within the RuvC domain, plays a pivotal role in the traversal of the TS by anchoring the crRNA:TS hybrid and elegantly guiding the TS toward the RuvC core, as also corroborated by DNA cleavage experiments. In this mechanism, the REC2 domain pushes the crRNA:TS hybrid toward the core of the enzyme, while the Nuc domain aids the bending and accommodation of the TS within the RuvC core by bending inward. Understanding of this cardinal process in the functioning of Cas12a will enrich fundamental knowledge and facilitate further engineering strategies for genome-editing.

The pressing need for clinical diagnostics has required the development of novel nucleic acid-based detection technologies that are sensitive, fast, and inexpensive, and that can be deployed at point-of-care. Recently, the RNA-guided ribonuclease CRISPR-Cas13 has been successfully harnessed for such purposes. However, developing assays for detection of genetic variability, for example single-nucleotide polymorphisms, is still challenging and previously described design strategies are not always generalizable. Here, we expanded our characterization of LbuCas13a RNA-detection specificity by performing a combination of experimental RNA mismatch tolerance profiling, molecular dynamics simulations, protein, and crRNA engineering. We found certain positions in the crRNA-target-RNA duplex that are particularly sensitive to mismatches and establish the effect of RNA concentration in mismatch tolerance. Additionally, we determined that shortening the crRNA spacer or modifying the direct repeat of the crRNA leads to stricter specificities. Furthermore, we harnessed our understanding of LbuCas13a allosteric activation pathways through molecular dynamics and structure-guided engineering to develop novel Cas13a variants that display increased sensitivities to single-nucleotide mismatches. We deployed these Cas13a variants and crRNA design strategies to achieve superior discrimination of SARS-CoV-2 strains compared to wild-type LbuCas13a. Together, our work provides new design criteria and new Cas13a variants for easier-to-implement Cas13-based diagnostics.Certain positions in the Cas13a crRNA-target-RNA duplex are particularly sensitive to mismatches.Understanding Cas13a's allosteric activation pathway allowed us to develop novel high-fidelity Cas13a variants.These Cas13a variants and crRNA design strategies achieve superior discrimination of SARS-CoV-2 strains.

Abstract Cascade is a class 1, type 1 CRISPR-Cas system with a variety of roles in prokaryote defense, specifically against DNA-based viruses. The Vibrio Cholerae transposon, Tn6677, encodes a variant of the type 1F Cascade known as type 1F-3. This Cascade variant complexes with a homodimer of the transposition protein TniQ and leverages the sequence specificity of Cascade to direct the integration activity of the heteromeric transposase tnsA/B, resulting in site-specific transposition of Tn6677. We desire to uncover the molecular details behind R Loop formation of ‘Cascade-TniQ.’ Due to the lack of a complete model of Cascade-TniQ available at atom-level resolution, we first build a complete model using AlphaFold V2.1. We then simulate this model via classical molecular dynamics and umbrella sampling to study an important regulatory component within Cascade-TniQ, known as the Cas8 ‘bundle.’ Particularly, we show that this alpha helical bundle experiences a free energy barrier to its large-scale translatory motions and relative free energies of its states primarily dependent on a loop within a Cas7 subunit in Cascade-TniQ. Further, we comment on additional structural and dynamical regulatory points of Cascade-TniQ during R Loop formation, such as Cascade-TniQ backbone rigidity, and the potential role TniQ plays in regulating bundle dynamics. In summary, our outcomes provide the first all-atom dynamic representation of one of the largest CRISPR systems, with information that can contribute to understanding the mechanism of nucleic acid binding and, eventually, to transposase recruitment itself. Such information may prove informative to advance genome engineering efforts.