Synthetic Biology Final Report

Synthetic Genomics | Annex
 
 
95 
For instance, gains in the speed and efficiency ofDNAsynthesis, sequencing, and recombinant DNA technology 
combined with cataloging of genomic data permit advanced methods for predictable biological production of 
commercial proteins and chemicals. Gene shuffling and directed evolution, based on the  rapid iteration and 
sequencing  of  recombinant  proteins,  are  other  outgrowths  of  the  increased  efficiency  of  standard 
biotechnology techniques and have been safely used for many years.Metabolic engineering—the optimization 
of microbial fermentation pathways, cellular processes and enzymatic activity for biochemical production—is 
an outgrowth of the increased knowledge of genomics. 
Synthetic  biology  encompasses  a  set  of  emerging  tools,  including  applied  protein  and  genome  design,  the 
standardization of genomic “parts” or oligonucleotides, and synthesis of full genomes, that are important to 
the continued evolution of biotechnology. The continued refinement and capability of metabolic engineering 
techniques,  combined  with  digitized  proteomic  and  genomic  data,  are  expected  to  enable  increasingly 
complex, multistep fermentation of organic chemicals and longer gene synthesis.  
 
Figure 16: Evolution of innovation 
Kircher (2011) 
Synthetic biology: The vision of synthetic biology is to engineer a specific biocatalytic reaction chain in a so-
called cell chassis. This chassis is able to propagate under laboratory an production conditions, but is stripped 
of all genetic information and in addition, it needs to be prepared for the various environments in nature. It is 
expected that such systems are genetically more stable, thus allowing continuous fermentation; produce with 
higher  yield  since  they  do  not  waste  precursors  in  competing  metabolic  pathways;  and  give  access  to man-
designed bioproducts, which are otherwise not provided by nature. 
Krivoruchko (2011) 
Synthetic biology involves the design and construction of biological parts and components that do not exist in 
nature and operates at several levels of biological organization.This includes the DNA level, through advances 
in  gene  synthesis  and  the  use  of  codon  optimization  for  optimal  gene  expression  [9,  10],  the  creation  of 
unnatural  base  pairs  [11]  and  the  use  of  quadruplet  codons  [12].At  the  protein  level,  synthetic  biology 
attempts to design new functions/specificities into proteins and create new UAAs (unnatural amino acids) that 
expand the catalytic possibilities further [13–14]. At the pathway level, synthetic biology attempts to redesign 
biological  pathways,  assemble  completely  new  pathways  from  biological  components  or  design  novel 
regulatory systems [15, 16]. Even on the whole-organism level synthetic biology is making strides, with the first 
successful transfer of a synthetic genome reported recently [17]. In addition to creating new cellular molecules 
and functions, synthetic biology also attempts to standardize biological components, which could reduce the 
complexity associated with biological systems and make it easier to design, assemble and regulate metabolic 

---

Synthetic Genomics | Annex
 
 
96 
pathways. Therefore, in many respects, synthetic biology complements metabolic engineering and advances in 
this field can create new and exciting tools for the engineering of microorganisms. 
Lee JW (2011) 
Synthetic  biology  aims  at  creating  novel  biologically  functional  parts,  modules  and  systems  by  employing 
various molecular biology and synthetic DNA tools together with mathematical methodologies, and has been 
successfully applied in various metabolic engineering experiments (Box 2) [11–13]. 
 
Marchisio (2011) 
Synthetic biology is a rather new discipline—commonly referred to as “life engineering”—that aims to design 
and  construct  new,  biological  systems  characterized  by  specific  and  fully  predictable  outputs.  Synthetically 
reengineered  cells  might  target  several  important  tasks  from  disease  treatment  (Ro  et  al.,  2006)  to  biofuel 
production  (Savage  et  al.,  2008)  and  hazardous  waste  recognition  and  removal  (de  las  Heras  et  al.,  2008). 
Initial attempts to build synthetic circuits were mainly proof of principle studies based on the mechanisms that 
regulate DNA transcription. 
Mitchell (2011) 
Synthetic  Biology  (SB)  is  the  repurposing  of  living  systems  for  useful  ends.  SB,  philosophically  rooted  in  the 
engineering paradigm, aims to reduce complex ‘natural’ (i.e. evolved) systems to simplified, reliable, quality-
controlled modules, or ‘parts’,  that  can be mathematically modeled, manipulated by computer aided design 
(CAD), ‘abstracted’ (passed between loosely coupled design and production layers), bolted together to achieve 
predictable results, and fabricated on an industrial scale [10]. 
Pleiss (2011) 
herefore,  the  term ‘synthetic  biology’ has been coined recently to describe  a strategy to systematically use, 
modify, and improve natural systems to design useful devices [75,76]. 
Schmidt and Pei (2011) 
Synthetic Biology is: A) the design and construction of new biological parts, devices, and systems, and; B) the 
re-design of existing, natural biological systems for useful purposes. 
Synthetic biologists are currently working to: 

---

Synthetic Genomics | Annex
 
 
97 
 
By and large, however, the following activities are usually subsumed under SB (Bedau and Parke, 2009; Benner 
and Sismour, 2005; Deplazes, 2009; Luisi, 2007; O’Malley et al., 2008; Schmidt et al., 2009; Torgersen et al., 
2010): 
DNA synthesis (or synthetic genomics), 
Engineering DNA-based biological circuits (based on genetic engineering but using real engineering principles), 
Defining the minimal genome (or minimal cell), 
Building protocells (or synthetic cells), 
Xenobiology (aka chemical SB). 
 
Shankar (2011) 
Synthetic  biology  is  a  naturally  evolved  discipline  that  aims  to  build  biological  systems  from  scratch  using 
molecular  design  principles  from  nature  with  expanded,  enhanced  and  controllable  properties.  It  is  about 
engineering biological systems  to produce  predictable  and robust  systems with novel functionalities  that do 
not exist in nature. 
Song (2011) 
A  major  goal  of  synthetic  biology,  being  at  the  interface  of  engineering  and  biology,  is  to  program  cells  to 
perform desirable functions in a predictable manner [1, 2]. These programmed functions could have potential 
applications in biomedicine [3], biofuel [4], bioremediation [5], and cellular computation [6]. 

---