Here, Argonaute from the prokaryote Thermus thermophilus is shown to use small DNA guides to interfere directly with invading foreign DNA, rather than being involved in RNA-guided RNA interference, as observed in eukaryotes. One function of RNA interference (RNAi) in eukaryotes is to protect the cell from foreign small single-stranded RNA (ssRNAs) through a process in which short RNAs encoded by the host bind homologous RNA targets and mediate their degradation. Argonaute (Ago) is a key enzyme of RNA-guided RNAi pathways in eukaryotes; many prokaryotes also possess Ago-encoding genes, but their physiological role has remained unknown. John van der Oost and colleagues now show that prokaryotic Ago — from the bacterium Thermus thermophilus — protects the cell against invasion by foreign DNA, rather than RNA. In this case, Ago is loaded with small interfering DNAs similar to those derived from plasmid DNA, which bind and cleave complementary DNAs. RNA interference is widely distributed in eukaryotes and has a variety of functions, including antiviral defence and gene regulation1,2. All RNA interference pathways use small single-stranded RNA (ssRNA) molecules that guide proteins of the Argonaute (Ago) family to complementary ssRNA targets: RNA-guided RNA interference1,2. The role of prokaryotic Ago variants has remained elusive, although bioinformatics analysis has suggested their involvement in host defence3. Here we demonstrate that Ago of the bacterium Thermus thermophilus (TtAgo) acts as a barrier for the uptake and propagation of foreign DNA. In vivo, TtAgo is loaded with 5′-phosphorylated DNA guides, 13–25 nucleotides in length, that are mostly plasmid derived and have a strong bias for a 5′-end deoxycytidine. These small interfering DNAs guide TtAgo to cleave complementary DNA strands. Hence, despite structural homology to its eukaryotic counterparts, TtAgo functions in host defence by DNA-guided DNA interference.

Abstract Background In vitro expression involves the utilization of the cellular transcription and translation machinery in an acellular context to produce one or more proteins of interest and has found widespread application in synthetic biology and in pharmaceutical biomanufacturing. Most in vitro expression systems available are active at moderate temperatures, but to screen large libraries of natural or artificial genetic diversity for highly thermostable enzymes or enzyme variants, it is instrumental to enable protein synthesis at high temperatures. Objectives Develop an in vitro expression system operating at high temperatures compatible with enzymatic assays and with technologies that enable ultrahigh-throughput protein expression in reduced volumes, such as microfluidic water-in-oil (w/o) droplets. Results We produced cell-free extracts from Thermus thermophilus for in vitro translation including thermostable enzymatic cascades for energy regeneration and a moderately thermostable RNA polymerase for transcription, which ultimately limited the temperature of protein synthesis. The yield was comparable or superior to other thermostable in vitro expression systems, while the preparation procedure is much simpler and can be suited to different Thermus thermophilus strains. Furthermore, these extracts have enabled in vitro expression in microfluidic droplets at high temperatures for the first time. Conclusions Cell-free extracts from Thermus thermophilus represent a simpler alternative to heavily optimized or pure component thermostable in vitro expression systems. Moreover, due to their compatibility with droplet microfluidics and enzyme assays at high temperatures, the reported system represents a convenient gateway for enzyme screening at higher temperatures with ultrahigh-throughput.

Abstract Background In vitro expression involves the utilization of the transcription and translation machinery derived from the cell to produce one or more proteins of interest and has found widespread application in the optimization of gene circuits or metabolic pathways in synthetic biology but also in pharmaceutical manufacturing. Most in vitro expression systems available are active at moderate temperatures but to screen large libraries of natural or artificial genetic diversity for highly thermostable enzymes or enzyme variants, it is instrumental to enable protein synthesis at high temperatures. Moreover, given the fact that the main barrier toward the general use of in vitro expression is its high price compared with host-based recombinant expression, there is a need to develop alternative in vitro expression systems operating at high temperatures and compatible with technologies that enable ultrahigh-throughput screening in reduced volumes, such as microfluidic water-in-oil (w/o) droplets. Results To this end, we produced high-expression cell-free extracts from Thermus thermophilus for in vitro translation and supplemented them with thermostable enzymatic cascades for energy regeneration and a moderately thermostable RNA polymerase for transcription, which ultimately limited the temperature of protein synthesis. The yield was comparable to other thermostable in vitro expression systems, while the preparation procedure is simpler and can be suited to different Thermus thermophilus strains. Furthermore, these extracts have enabled in vitro expression in microfluidic droplets at high temperatures for the first time. Although the composition of these extracts showed a high background in carboxyl esterase assays, β-glucosidase and cellobiose hydrolase activities could be measured with minimal background. Conclusions Cell-free extracts from Thermus thermophilus represent a simpler alternative to heavily optimized or pure component thermostable in vitro expression systems. Moreover, due to their compatibility with droplet microfluidics and enzyme assays at high temperatures, the reported system represents a convenient gateway for enzyme screening at higher temperatures with ultrahigh-throughput.

Recombinational repair is an important mechanism that allows DNA replication to overcome damaged templates, so the DNA is duplicated timely and correctly. The RecFOR pathway is one of the common ways to load RecA, while the RuvABC complex operates in the resolution of DNA intermediates. We have generated deletions of recO, recR and ruvB genes in Thermus thermophilus, while a recF null mutant could not be obtained. The recO deletion was in all cases accompanied by spontaneous loss of function mutations in addA or addB genes, which encode a helicase-exonuclease also key for recombination. The mutants were moderately affected in viability and chromosome segregation. When we generated these mutations in a Δppol/addAB strain, we observed that the transformation efficiency was maintained at the typical level of Δppol/addAB, which is 100-fold higher than that of the wild type. Most mutants showed increased filamentation phenotypes, especially ruvB, which also had DNA repair defects. These results suggest that in T. thermophilus (i) the components of the RecFOR pathway have differential roles, (ii) there is an epistatic relationship of the AddAB complex over the RecFOR pathway and (iii) that neither of the two pathways or their combination is strictly required for viability although they are necessary for normal DNA repair and chromosome segregation.