Synthetic Biology Final Report

Synthetic Biology | State of the Art 
 
41 
BioBrick™ parts 
Description 
Promoters 
Recruitment  sites  for  transcription  machinery  RNA  Polymerase 
binding sites 
Ribosome binding sites 
Region on mRNA for ribosomal binding translation initiation 
Protein domains 
Encodes functional compartments of protein sequence 
Protein coding sequences 
Encodes the amino acid sequence of a protein 
Translational units 
Translational units are composed of a ribosome binding site and 
a protein coding sequence. They begin at the site of translational 
initiation,  the  RBS,  and  end  at  the  site  of  translational 
termination, the stop codon. 
Terminators 
Transcription stop signal at the end of a gene or operon 
DNA 
DNA  parts  provide  functionality  to  the  DNA  itself.  DNA  parts 
include  cloning  sites,  scars,  primer  binding  sites,  spacers, 
recombination sites, conjugative transfer elements, transposons, 
origami, and aptamers. 
Plasmid backbones 
A  plasmid  is  a  circular,  double-stranded  DNA  molecule  typically 
containing  a  few  thousand  base  pairs  that  replicate  within  the 
cell independently of the chromosomal DNA. A plasmid backbone 
is defined as the plasmid sequence beginning with the BioBrick™ 
suffix,  including  the  replication  origin  and  antibiotic  resistance 
marker, and ending with the BioBrick™ prefix. 
Plasmids 
A  plasmid  is  a  circular,  double-stranded  DNA  molecule  typically 
containing  a  few  thousand  base  pairs  that  replicate  within  the 
cell independently of the chromosomal DNA. If you're looking for 
a plasmid or vector to propagate or assemble plasmid backbones, 
please see the set of plasmid backbones. There are a few parts in 
the  Registry  that  are  only  available  as  circular  plasmids,  not  as 
parts in a plasmid backbone. Note that these plasmids largely do 
not conform to the BioBrick™ standard. 
Primers 
A  primer  is  a  short  single-stranded  DNA  sequence  used  as  a 
starting  point  for  PCR  amplification  or  sequencing.  Although 
primers  are  not  actually  available  via  the  Registry  distribution, 
commonly used primer sequences are included. 
Composite parts 
Composite  parts  are  combinations  of  two  or  more  BioBrick™ 
parts. 
Table 3: Types of parts available from the BioBrick™ Registry Repository (modified from iGEM (2014)). 

---

Synthetic Biology | Applications of Synthetic Biology 
 
42 
4
 
Applications of synthetic biology 
Synthetic biology has a vast range of potential practical applications (Porcar and Pereto 2012). It is perceived 
as a way to tackle problems, among others, in cell and tissue engineering, gene therapy, biologically derived 
materials,  biocatalysis  and  natural  product  synthesis  (Arkin  and  Fletcher  2006).  In  addition,  it  is  believed  to 
facilitate mass production of useful compounds and a variety of chemicals (drugs, biofuels, etc.), to be key in 
the development of bioremediation, to increase crop yield, lead to the production of novel food ingredients, 
and improve human health (Porcar and Pereto 2012). Upon careful design, it offers the possibility to minimise 
unwanted  (side)  effects  (like  production  of  any  undesirable  substances  that  might  reduce  yield  or  inhibit 
metabolic pathways), to reduce energy costs to the cells, and to establish good conversion from substrate(s) to 
desired product (Ellis and Goodacre 2012). 
Major efforts toward potential application of synthetic biology include the production of biofuels like ethanol, 
algae-based  fuels,  bio-hydrogen  and  microbial  fuel  cells;  bioremediation  like  wastewater  treatment,  water 
desalination, solid waste decomposition and CO
2
 recapturing; the production of biomaterials like bioplastics, 
bulk  chemicals,  pharmaceuticals,  flavourings,  fragrances,  and  compounds  for  cosmetics;  and  finally  the 
production of novel cells and organisms, which includes the generation of protocells and xenobiology (see CBD 
(2014) and OECD (2014) for excellent recent overviews). 
4.1
 
Synthetic biology in microorganisms 
Device  or  system  design  is  done  in  context  of  a  particular  host  cell  (Kitney  and  Freemont  2012).  The  major 
model microbial species  in which the foundational work in synthetic biology (i.e.  metabolic engineering and 
minimal  genome  construction)  was  carried  out  have  been  Escherichia  coli  and  Saccharomyces  cerevisiae 
(Cameron et al. 2014). Fabrication facilities (biofabs) are developed to construct, characterise and standardise 
biological components for widely used platform organisms (Nielsen and Keasling 2011). The big advantage of 
concentrating  on  a  few  organisms  is  obviously  that  much  knowledge  is  accumulated,  allowing  for  better 
prediction of the results of engineering strategies. 
Microbes, in particular Escherichia coli or yeast, may also be used as experimentally convenient heterologous 
hosts to reconstitute biosynthesis (Li and Pfeifer 2014). Such an approach offers considerable advantages as 
compared  to  production  in,  e.g.,  the  native  plant  host  or  chemical  synthesis  strategies,  which  may  be 
hampered by slow growth kinetics and low native titres. Companies design strains (e.g. Escherichia coli Clean 
Genome®,  Scarab  Genomics)  with  “enhanced  genetic  stability,  improved  metabolic  efficiency  and  improved 
production yields” with the aim of creating efficient production platforms. The desired properties are achieved 
by deleting nonessential gene, insertion sequence (IS) elements, recombinogenic/mobile DNA, cryptic viruses 
and virulence genes, and the strains are being offered as a platform to optimise processes for the production 
of,  e.g.,  therapeutic  proteins,  plasmid  DNA  and  vaccines.  Also  Saccharomyces  cerevisiae  is  already  well 
adapted to industrial conditions and thus its use for industrial production is easy and straight-forward (“plug-
and-play solution”) (Nielsen and Keasling 2011). 
Remarkably  both  Escherichia  coli  and  Saccharomyces  cerevisiae  are  in  addition  important  model  organisms, 
ensuring  the  availability  of  an  impressing  amount  of  data  originating  from  basic  research.  Not  least, 
mathematical  models  for  systems  biology  have  been  developed  for  them,  potentially  allowing  for  the 
modelling  of  the  interaction  between  all  the  components  in  the  system.  Finally,  powerful  synthetic  biology 
tools have been demonstrated within these two species  (Montague et al. 2012). The major limitation is that 
important metabolic and biological tools are absent – e.g. traits of photosynthesis or the capacity to express 
large mammalian genes exhibiting splicing and post-translational modifications that both involve many genes 

---