EVOLUTIONARY SELECTION OF ENZYMATICALLY SYNTHESIZED SEMICONDUCTORS FROM BIOMIMETIC MINERALIZATION VESICLES

"Evolutionary selection of enzymatically synthesized semiconductors from biomimetic mineralization vesicles". L. A. Bawazer, M. Izumi, D. Kolodin, J. R. Neilson, B. Schwenzer, D. E. Morse. PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA. In press. DOI: 10.1073/pnas.1116958109 

The way nature evolves and sculpts materials using proteins inspires new approaches to materials engineering but is still not completely understood. Here, we present a cell-free synthetic biological platform to advance studies of biologically synthesized solid-state materials. This platform is capable of simultaneously exerting many of the hierarchical levels of control found in natural biomineralization, including genetic, chemical, spatial, structural, and morphological control, while supporting the evolutionary selection of new mineralizing proteins and the corresponding genetically encoded materials that they produce. DNA-directed protein expression and enzymatic mineralization occur on polystyrene microbeads in water-in-oil emulsions, yielding synthetic surrogates of biomineralizing cells that are then screened by flow sorting, with light-scattering signals used to sort the resulting mineralized composites differentially. We demonstrate the utility of this platform by evolutionarily selecting newly identified silicateins, biomineralizing enzymes previously identified from the silica skeleton of a marine sponge, for enzyme variants capable of synthesizing silicon dioxide (silica) or titanium dioxide (titania) composites. Mineral composites of intermediate strength are preferentially selected to remain intact for identification during cell sorting, and then to collapse postsorting to expose the encoding genes for enzymatic DNA amplification. Some of the newly selected silicatein variants catalyze the formation of crystalline silicates, whereas the parent silicateins lack this ability. The demonstrated bioengineered route to previously undescribed materials introduces in vitro enzyme selection as a viable strategy for mimicking genetic evolution of materials as it occurs in nature.

La manera en que la naturaleza evoluciona y esculpe materiales a partir de proteínas ha inspirado nuevas estrategias para la ingeniería de materiales, sin embargo todavía no es entendida por completo. Aquí se presenta una plataforma biológica de síntesis, libre de células, para el avance en los estudios acerca de la síntesis biológica de materiales de estado sólido. Esta plataforma es capaz de desarrollar simultáneamente muchos de los niveles jerárquicos de control que se encuentran en la biomineralización natural, incluídos el control genético, químico, espacial, estructural y morfológico, a la vez que secunda la selección evolutiva de nuevas proteínas mineralizadas y la correspondiente codificación genética de los materiales que produce. La expresión proteica dirigida con ADN y la mineralización enzimática ocurren en microesferas de poliestireno en emulsiones tipo agua en aceite, cediendo a sustitutos sintéticos para las células de biomineralización que están apantalladas por un flujo, con señales de luz blanca esparcida que son usadas para arreglar diferenciadamente los compositos mineralizados resultantes. Se demuestra la utilidad de esta plataforma por medio de la selección evolutiva de nuevas silicateínas identificadas, de enzimas biomineralizadas previamente identificadas en el esqueleto de dióxido de silicio de esponjas marinas, para variantes de enzimas capaces de sintetizar compuestos de dióxido de silicio (silica) o de dióxido de titanio (titania). Los compuestos minerales de dureza intermedia son seleccionados preferentemente para mantenerlos intactos para la identificación durante la clasificación celular, y entonces para colapsarlos después de la clasificación y exponer los genes codificados para la amplificación enzimática del ADN. Algunas de las nuevas variantes de silicateínas seleccionadas catalizan la formación de silicatos cristalinos, en contraste con las silicateínas de las que provienen, que carecen de esa habilidad. La ruta de bioingeniería que se demuestra, para materiales previamente desconocidos, presenta a la selección enzimática in vitro como una estrategia que permite imitar la evolución genética de materiales que existen en la naturaleza.

http://www.pnas.org/content/early/2012/06/06/1116958109