Synthetic Biology Final Report

Synthetic Biology | Applications of Synthetic Biology 
 
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range of biomass more effectively, making it possible to utilise agricultural waste such as corn stalks and straw, 
and woody biomass (PCSBI 2010). 
Some  Biofuels  are  currently  available  as  product  (near-term),  in  pilot  development  (medium-term),  or  are 
expected in the long term, when companies have demonstrated intent to develop the application (Table 4).  
 
Table  4:  Product  Matrix  for  biofuels  (SBP  2012)  “Inventory  of  synthetic  biology  products  –  existing  and  possible” 
(Synthetic Biology Project – Draft, July 2012) 
The classification concerning the readiness for marketing reads as follows (SBP 2012): 
-
 
Near-term: currently available as product, demonstrations have been running and may be scaled up, seeking 
out markets and customers 
-
 
Medium-term: pilot plant built, in clinical trials, joint venture established, holds patents 
-
 
Long-term: companies have demonstrated intent to develop this application, but has not progressed beyond 
small scale or experimental work, applied for patents 
-
 
On the horizon: no commercial development, but some laboratory experimentation 
The  expected  benefit  of  technologies  that  make  use  of  biomass  feedstock  with  dormant  biodegrading 
enzymes, like the INzyme
TM
 technology (Agrivida 2012b), is to reduce the cost and energy of breaking down 
feedstock  for  the  fermentation  process  to  produce  ethanol  or  to  create  high-performance  feedstocks  or 
chemicals  (Agrivida 2012a, b). In June  2012, Agrivida announced at  the  National Corn Growers Association’s 
Corn  Utilization  and  Technology  Conference  that  it  had  launched  its  “first  significant  field  production”  of 
modified corn in US Department of Agriculture-permitted field trials (Agrivida 2012b). 
 

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Figure 14: INzyme
TM
 Plant Expression (Agrivida 2012b) 
 “Glowing plants” 
A  further  research  for  using  synthetic  biology  techniques  is  demonstrated  in  the  design/  the  creation  of 
glowing  plant.  In  the  so  called  “Glowing  Plant  project”,  synthetic  biology  techniques  and  software  from 
Genome  Compiler,  for  the  design  and  „print“  DNA,  are  used  for  transformation  processes  of  Arabidopsis 
thaliana. These processes will lead to the production of luciferase and luciferin, which appears in an emission 
of weak, green-blue light by endowing it with genetic circuitry from fireflies. Finally the creation of a so called 
“Glowing Plant” is completed/finished (Callaway 2013). Pollack (2013) tinkers with this idea one stage further 
for  the  development  of  glowing  trees  that  can  replace  electric  streetlamps  and  potted  flowers  luminous 
enough to read by. 
But there are fears for an unsupervised and uncontrolled release of such synthetic engineered organism/plants 
due to the assumption that no regulatory system would interfere in this case. Critics speak of gaps and holes in 
the regulatory structure and say that this might strengthen a negative public perception of synthetic biology, 
because there is no real “useful” task behind this research/development. It could be seen only as a synthetic 
gimmick/gadget and therein should not be the main focus on such kind of research development of synthetic 
biology or the use of synthetic biology techniques (Pollack 2013; Callaway 2013). 
4.3.3
 
Emerging applications 
Cell-free synthetic biology to replace plant cell cultures 
Plant  cell  culture  allows  for  sustainable  production  of  secondary  metabolites,  which,  at  the  same  time,  is 
challenged by low product yields (Wilson and Roberts 2012). Cell culture variability, i.e. dedifferentiated versus 
differentiated cells, is an important factor governing metabolite and protein production.  
Cell-free biology, on the other hand, is a possibility to produce desirable compounds and to incorporate non-
natural encoded amino acids (NNAA) without  the  limitations and necessities of intact living cells  (Harris and 
Jewett 2012). Recent applications of cell-free synthetic biology (Smith et al. 2014) include antibody production 
(in  prokaryote-  and  eukaryote-based  systems),  pharmaceuticals  (vaccines,  e.g.  against  Lymphoma  and 
Malaria), or biocatalysts like hydrogenase and lipase. Finally, the incorporation of unnatural amino acids has a 
number of applications such as ligand-protein interaction, biotherapeutics, and biocatalysis. 
Transient expression of synthetic biology in plants 
Transient  expression  systems  and  their  controlled  modulation  are  important  tools  in  plant-based  synthetic 
biology  (Sainsbury  and  Lomonossoff  2014).  Transient  transformation  of  plant  tissues  is  rapid  and  the 

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production  of  recombinant  proteins  or  products  of  their  activity  is  fast,  and  expression  yields  allow  for 
commercially relevant production. Attractive targets are the production of triterpenes that have a wide range 
of potential commercial applications (pharmaceutical, food, and cosmetic industries, etc.) but are recalcitrant 
to  synthetic  chemistry  and  occur  in  low  abundances  in  plants.  Another  example  is  the  production  of 
intermediates in the biosynthesis of the antimalarial drug artemisinin. Recently the relocation of a metabolic 
pathway was shown, concretely the light-dependent production of the aromatic defence compound dhurrin in 
the chloroplast, providing an example of exploiting photosynthesis in synthetic biology  (Nielsen et al. (2013) 
cited in Sainsbury and Lomonossoff (2014)). 
Engineered minichromosomes in plants 
Like in yeast and mammals, artificial chromosomes may be generated by using either bottom-up or top-down 
approaches to be reintroduced into plants (Birchler 2014; Patron 2014). Suggested future applications include 
designing  chromosomes  to  desired  specifications  and  engineering  them  in  a  way  that  there  is  enhanced 
transmission  to  next  generations,  ensuring  efficient  transfer  to  virtually  all  progeny.  By  transferring 
minichromosomes  from  a  haploid  inducer  to  target  lines  linkage  drag  could  be  eliminated.  The 
minichromosomes  could  be  placed  into  a  number  of  different  varieties,  carrying  a  wide  range  of  beneficial 
properties  like  whole  biochemical  pathway  leading  to  adaptation  and  improvement  of  field  crops  (e.g. 
resistances, nutritional qualities, yield, etc.). Besides Arabidopsis, successful engineering of minichromosomes 
in plant species focussed on maize, in which supernumerary or B chromosomes are the primary target as their 
modification does not directly link to phenotypic alterations. Future research will focus on the modification of 
chromosomes in vivo and on avoiding potential problems during meiotic transmission. 
“Artificial leaf” – the use for solar energy as bioenergy for the production of solar fuels 
One  division  of  synthetic  biology  is  the  approach  of  artificial  photosynthesis,  or  to  create  plants  that  more 
efficiently  collect  sun  energy  and  directly  convert  it  into  fuels  (Lee  2013).In  this  context,  the  design  of  an 
artificial “leaf” was suggested, with the central concept of using sunlight to produce hydrogen and other fuels 
much more efficiently than real leaves ever made biomass (Marshall 2014). UK researchers focus on the direct 
conversion of sunlight to “solar fuels”, by trying to use chemical reactions similar to photosynthesis but in an 
artificial  system  and  the  production  of  such  carbon-based  liquid  fuels  via  synthetic  biology  tools  (UKSBRCG 
2012). 
The  Joint  Center  for  Artificial  Photosynthesis  in  California  concentrates  on  the  design  of  an  artificial  leaf 
through  construction  of  two  electrodes  immersed  in  an  aqueous  solution.  Each  electrode  is  composed  of  a 
semiconductor  material  chosen  to  capture  light  energy  from  a  particular  part  of  the  solar  spectrum.  This 
process uses photons from sunlight to split water molecules into oxygen and hydrogen, which can be used to 
make  fuel  (Marshall  2014).  There  are  also  further  similar  researches  for  using  the  solar  energy  for  the 
production of alternative fuels, including developments in the field of Solar Fuels, HyperSolar photoabsorbers 
or Artificial Photosynthetic Chemical Process (Marshall 2014). 
The  concept  of artificial photosynthesis remains the same  in every approach: The  use  of the biggest energy 
source,  the  sun,  and  the  combination  with  energy  storage  in  chemical  fuels.  The  challenge  would  be  the 
optimizing of all production steps in-between and the use of the light in a most efficient way. 
“Ferrari plants and crops” – outlook on synthetic biology in agriculture 
Another though less advanced application is to increase plant productivity, which may be achieved in manifold 
ways. One possibility is the  thorough redesign of the photosynthetic  apparatus as optimised photosynthetic 
efficiency may lead to an increase in biomass and energy production  (Zurbriggen et al. 2012). There are also 
attempts to improve crop yields by manipulating key processes such as the developmental and environmental 

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