Synthetic Biology Final Report

Synthetic Biology | Applications of Synthetic Biology 
 
52 
control  of  flowering  time,  or  the  hacking  of  the  circadian  clock.  This  may  be  achieved,  for  instance,  by 
designing a synthetic plant signal transduction pathway, which is the starting point to assemble fully synthetic 
signalling networks. 
Synthetic approaches aiming at engineering C4 photosynthesis (as found in for example maize and sorghum) 
into the more diffused C3 background have been suggested by Denton et al. (2013). The obvious advantage of 
C4 plants as compared to C3 is higher productivity at elevated temperatures, and  higher nitrogen and water 
use efficiencies (i.e. more biomass with less input). Systems and synthetic approaches are used to understand 
the trait, aided by the completion of several genome sequences of C4 grasses. 
McFadden (2012) describes synthetic biology as “our best hope for a healthy future”  – bringing up hopes to 
create plants that are able to perform photosynthesis more efficiently by harvesting light from wider regions 
of the spectrum or capture nitrogen directly from the air so they will not need nitrogen fertiliser. In addition, 
the design of new microbes that digest and degrade toxic pollutants or turn agricultural waste into electricity 
are  mentioned  as  applications  that  will  tackle  food  security  and  at  the  same  time  reduce  the  negative 
environmental impacts of agriculture (McFadden 2012). 

---

Synthetic Biology | Risk assessment and risk management 
 
53 
5
 
Risk assessment and risk management 
5.1
 
Current risk assessment approaches 
The current approach for the risk assessment of GM plants in the European Union is set out by different EU 
regulations and EFSA guidance documents and dealing with the marketing of food and feed, the use for non-
food  and  non-feed  purposes,  and  the  deliberate  release  into  the  environment  (EFSA  2011,  2010a,  2009; EC 
2001,  2003,  2013).  The  risk  assessment  is  characterised  by  the  four  different  steps:  hazard  identification, 
hazard characterisation, exposure assessment and risk characterisation. 
In addition, the following elements are part of the current risk assessment procedure: 
i)
 
Risk assessment of GM plants and derived food and feed (EFSA 2011): 
-
 
Characteristics of the donor organisms and recipient plant 
-
 
Genetic modification and its functional consequences 
-
 
Agronomic and phenotypic characteristics of the GM plant 
-
 
Compositional characteristics of GM plants and derived food and feed 
-
 
Potential toxicity and allergenicity of gene products (proteins, metabolites) and the whole GM plant 
and its derived products 
-
 
Dietary intake and potential for nutritional impact 
-
 
Influence of processing and storage on the characteristics of the derived products 
 
ii)
 
Environmental risk assessment of GM plants (EFSA 2010a): 
-
 
Persistence and invasiveness including plant-to-plant gene flow 
-
 
Plant to micro-organisms gene transfer 
-
 
Interactions of the GM plant with target organisms 
-
 
Interactions of the GM plant with non-target organisms 
-
 
Impacts of the specific cultivation, management and harvesting techniques 
-
 
Effects on biogeochemical processes 
-
 
Effects on human and animal health 
-
 
Post-market environmental monitoring 
 
The  risk  assessment  of  GM  plants  not  intended  for  food  or  feed  uses  contains  similar  elements  to  those 
abovementioned (EFSA 2009): molecular characterisation, safety for humans and animals (e.g. compositional 
characterisation, toxicology), safety for the environment, monitoring. 
With  all  three  EFSA  guidance  documents,  the  comparative  approach  is  considered  a  crucial  part  of  the  risk 
assessment.  Besides  the  molecular  characterisation,  it  forms  the  basis  for  the  evaluation  of  the  intended 
alterations of the plant phenotype and, in particular, for the detection of any unintended effect: 

 
"Unintended effects may be detected through the comparison of the agronomic, phenotypic and 
compositional characteristics" (EFSA 2011), 

 
"The comparative safety assessment is being followed in order to identify differences caused by either 
intended or unintended effects" (EFSA 2010a), 

 
"Compositional analyses have to be carried out […] to identify and quantify possible unintended changes in 
the composition of the whole GM plant” (EFSA 2009) 
 
Comparative  approaches  were  introduced  as  key  element  of  the  GMO  risk  assessment  (OECD  1993).  They 
intend to provide significant information on the substantial equivalence between GM plants and comparators, 
which – in case of sexually propagating crops – are defined to be non-GM genotypes with genetic backgrounds 
as close as possible to the GM plant (EFSA 2011). The EFSA guidance for GM plants used for non-food and non-

---

Synthetic Biology | Risk assessment and risk management 
 
54 
feed  purposes  gives  detailed  comments  on  "substantially  modified"  transgenic  plants.  It  is  said  that 
substantially modified transgenic plants cannot be statistically compared with conventional plants making the 
risk assessment much more laborious and complex. The reason is that extensive genetic modifications (e.g. the 
insertion of multiple genes) can lead to substantial changes in the original metabolism and composition of the 
GM plant (EFSA 2009). 
For  GM  plants  used  for  non-food  and  non-feed  purposes,  the  EFSA  GMO  Panel  still  considers  that  the  vast 
majority of the basic biology of the GM plant and the non-GM comparator will remain the same. Therefore a 
certain level of comparison with a non-GM comparator will always be appropriate. 
5.2
 
Applicability  of  current  approaches  on  plants  created  by  synthetic 
genomics 
Per  definition,  metabolism  and  also  physiology  of  a  synthetic  organism  will  be  largely  different  to  any 
conventional plant. In addition, plants produced by synthetic genomics are different as regards composition, 
and  any  process  of  synthetic  engineering  of  a  plant  can  result  in  unknown  physiological  and  biological 
processes.  For  this  reason  the  application  of  the  concept  of  substantial  equivalence  is  not  possible  and  not 
feasible. 
The  risk  assessment  and  evaluation  of  synthetic  plants  has  to  be  done  in  a  case  specific  manner  and  with 
respect to potential impact on human and animal health and the environment addressing: 

 
the level of differences with respect to the main biological characteristics of conventionally bred crops in 
general, 

 
the technology and concept behind the design of the synthetic plant, 

 
the biogenetic principles and the construction process of the synthetic material and the underlying 
biological functions and characteristics of the synthetic organism at the genome and metabolic level, 

 
the intended function and behaviour of a synthetic plant, 

 
the design of field trials required to account for situations where the receiving environment of the 
synthetic plant is substantially different to the appropriate comparator, 

 
the different environments that are associated with the intended function and the intended use of the 
synthetic plant, 

 
specific biological and genomic properties, e.g. expression of artificial proteins, newly introduced 
regulatory mechanisms, 

 
the selection of the endpoints that need to be tested, possibly based on the new variety studies for crop 
plants (DUS), that could provide the basis for establishing a minimum requirement for plants created by 
synthetic genomic (UPOV 2011), 

 
the variation in the endpoints tested depending on the biology of the synthetic organism, 

 
the assessment of the comparative data in relation to the outcome of the molecular characterisation, 

 
the verification of any unanticipated effect by additional experimental data (e.g. field testing, food 
safety studies), 

 
the problem that the products of synthetic plants (e.g. a different nucleic acid) released into the 
environment could be highly hazardous, and 

 
the necessity of extensive laboratory testing prior to any release experiment. 
It is noteworthy that synthetic genes and, in general, new life forms have no evolutionary history and cannot 
be traced back to wild ancestors (Norton 2010). A comparative approach usually will not be applicable due to 
the missing evolutionary history and relationship of a synthetic higher plant (a non-existing biological system) 
and a conventional crop plant. A comprehensive  toxicological and allergological risk  assessment can provide 
the  missing  data.  Internationally  accepted  approaches  applied  for  testing  chemicals  in  foods  (Renwick  et al. 
2003;  EFSA  2011)  form  the  basis  for  the  testing  and  quantification  of  adverse  effects  caused  by  artificial 

---