Synthetic Biology Final Report

Synthetic Biology | State of the Art 
 
32 
al.  2012).  Metabolic  networks  function  through  different  strategies  that  bring  together  appropriate  cells, 
enzymes and substrates in time and space.  
Control  of  gene  expression  is  achieved  on  the  levels  of  transcription  (regulated  promoters,  transcriptional 
riboswitches)  or  translation/post-translation,  which  fosters  faster  dynamics.  Components  (i.e.  genetic  parts, 
devices and systems) and tools to regulate these components in a predictable and quantitatively controllable 
manner have to be designed (Seo et al. 2013). 
3.3.2
 
Genetic devices 
Genetic  devices  are  combinations  of  parts  that  implement  a  defined  function.  Hallmarks  in  this  field  are 
several  designs  inspired  by  electronic  circuitry,  such  as  genetic  toggle-switches,  timers,  oscillators  and  logic 
evaluators  (Purnick  and  Weiss  2009;  Arpino  et  al.  2013).  Their  functioning  is  based  on  the  control  of 
transcription, translation or post-translational processing. Complex “devices” are assembled from well-defined 
modular parts but it is challenging to fully predict their function (Boyle and Silver 2009). They may also be less 
robust than natural systems, and endogenous regulatory systems may interfere with the function of synthetic 
biology  devices.  It  is  difficult  to  predict  what  the  assembled  parts will  do, even  when much  is  known  about 
them  individually  (Arkin  and  Fletcher  2006).  Engineering  new  proteins  or  gene  circuits  may  lead  to  direct 
interaction among new components or to indirect interactions via their effects on the organism (“chassis”) into 
which  they  are  introduced.  Due  to  lacking  co-evolution  unforeseen  cross-reactions  may  occur.  It  may  be 
expected that engineered organisms survive poorly in real-world environments (Arkin and Fletcher 2006). 
Figure 5 and 6 show several types of genetic devices. 
Transcriptional control devices 
Transcriptional control of gene expression is used to optimise biological systems (modification of the spacer 
region  between  DNA  sequences  of  native  promoters  and  utilisation  of  polymerase  chain  reaction  (PCR)  to 
introduce  mutations  into  the  entire  promoter  region.  Also,  synthetic  hybrid  promoter  approaches  that 
combine core promoters with enhancer elements consisting of combinations or tandem repeats of upstream 
activating  sequences.  Promoter  strength  can  differ  depending  on  flanking  sequences  upstream  and 
downstream  of  the  consensus  boxes  and  promoter  copy  number.  A  recent  study  demonstrated  the 
importance  of  precisely  balancing  metabolic  fluxes  by  controlling  transcription  efficiency  for  the  optimal 
production of a target molecule. In addition, rapid prototyping services like BIOFAB (International Open Facility 
Advancing  Biotechnology, 
http://biofab.synberc.org/
)  are  developed  that  provide  libraries  of  characterised 
regulatory  elements  and  facilitate  prototyping  of  synthetic  devices  via  high-throughput  cloning  and  testing 
(Boyle and Silver 2012). 
A prototype of transcriptional control is the bistable toggle switch (Gardner et al. 2000). It is composed of two 
promoters that transcribe mutually inhibitory repressor proteins and can be inactivated by different inducers 
(Figure  6).  One  promoter also transcribes  a  reporter  gene, such  as the  green  fluorescent  protein  (GFP). The 
expression of the reporter can be switched on by  transient addition of the first inducer and switched off by 
transient addition of the second inducer.  

---

Synthetic Biology | State of the Art 
 
33 
 
Figure 6: Bistable genetic toggle switch. Figure from Gardner et al. (2000) 
More  complex  arrangements  of  promoters  and  repressors  are  for  example  transcriptional  oscillators  and 
timers.  Oscillators  (Figure  7a)  increase  and  decrease  the  expression  of  a  reporter  gene  in  a  rhythm  that 
depends on the concentrations of two inducer compounds present in the medium (Purnick and Weiss 2009).  
With a genetic timer, the expression of a reporter gene can be switched on or off by transient addition of an 
inducer and is reset to the initial state after a given time span (Ellis et al. 2009). 
Translational control devices 
Typical elements of translational control are synthetic ribozymes (Arpino et al. 2013; Purnick and Weiss 2009). 
In these RNA devices the transcript of a gene of interest carries an autocatalytic region and aptamers to sense 
specific ligands. Binding of a ligand to the RNA aptamer leads to a structural change in the autocatalytic region. 
The  activated autocatalytic  region inhibits translation of the  transcript. RNA devices  that respond to various 
low  molecular  metabolites  are  called  riboswitches.  RNA  devices  that  respond  to  small  interfering  RNAs 
(siRNAs) are called riboregulators. 
Riboswitches have been used to create logic evaluators that report the presence or absence of several ligands 
simultaneously using AND/OR/NOT/NOR Boolean logic (Figure 7b). Such devices are also referred to as logical 
gates (Purnick and Weiss 2009). 
Post-translational control devices 
An  example  of  a  post-translational  control  device  is  the  scaffold  protein  phosphorylation  system  shown  in 
Figure 7c scaffold proteins recruit proteins required for specific cellular processes and tether them together. In 
the presented device, the scaffold is activated by phosphorylation in presence of specific inducers, and scaffold 
activation initiates expression of the reporter gene GFP (Purnick and Weiss 2009). 
 

---