Synthetic Biology Final Report

Synthetic Biology | Applications of Synthetic Biology 
 
43 
and lead to broad systemic alterations to the biology of the organisms. Due to this complexity they cannot be 
easily engineered into either Saccharomyces cerevisiae or Escherichia coli (Montague et al. 2012). 
Another important species that may serve as platform cell factory is Corynebacterium glutamicum (Becker et 
al.  2013).  It  has  been  suggested  as  a  model  organism  for  synthetic  biology  as  it  is  capable  of  producing  a 
variety of valuable chemicals and materials, and is already applied in the industrial production of amino acids 
(Woo  and  Park  2014).  A  number  of  approaches  to  optimise  Corynebacterium  glutamicum,  including  the 
development of standard DNA parts, DNA/RNA parts, and devices (e.g. to sense metabolites) are discussed by 
Woo  and  Park  (2014).  In  general,  strain  development  is  an  important  application  for  synthetic  biology  in 
microbes (as for example the generation of optimised Corynebacterium glutamicum strains for the production 
of amino acids or even the establishment of multi-use platform strains) (Wendisch 2014). 
The  following potential environmental applications of designed microorganisms have  been identified in  CBD 
(2014);  the  expected  benefits  are  that  they  could  provide  less  toxic  and  more  effective  tools  for 
bioremediation, which would positively impact local biodiversity (CBD 2014): 

 
enhance  mining  metal  recovery  and  to  aid  in  acid  mine  drainage  bioremediation  (Brune  and  Bayer 
2012).  

 
design  whole-cell  biosensors  that  will  indicate  the  presence  of  a  target,  such  as  arsenic  in  drinking 
water. 

 
design an arsenic biosensor that would be  suitable  for field use  in developing countries, using freeze-
dried transformed Escherichia coli that changed colour in the presence of arsenic (French et al. 2011). 

 
engineering Escherichia coli to secrete auxin, a plant hormone intended to promote root growth (French 
et al. 2011; WWICS 2013b).  

 
pre-coating  seeds  with  the  bacteria,  to  be  planted  in  areas  at  risk  from  desertification  (French  et  al. 
2011; WWICS 2013b). 

 
Degradation of herbicides by “reprogrammed” Escherichia coli. 
4.2
 
Synthetic biology in other species 
There  are  also  attempts  to  use  hosts  beyond  bacteria  and  yeast,  e.g.  to  produce  spider  silk  (dragline  silk 
protein)  in the milk  of transgenic  mice  (Xu et al. 2007). The animal host  was more  efficient  as compared to 
microbial ones in expression and homogeneity.  
Recently, synthetic  biology has also been suggested as providing new strategies for therapeutic applications 
(Ye  and  Fussenegger  2014).  For  this,  for  example  gene  circuits  are  assembled  into  biosensing  devices.  The 
designed circuits monitor, quantify, and treat diseases by sensing disease signals, and producing and releasing 
tailor-made therapeutic molecules. Another recent development aims at regulating gene drives that influence 
reproductive capacity (Oye et al. 2014). Potential applications are the elimination of mosquito-borne diseases 
like  malaria  and  dengue,  reversing  the  development  of  pesticide  and  herbicide  resistance,  and  the  local 
eradication  of  invasive  species.  However,  it  has  been  acknowledged  that  this  development  has  substantial 
implications concerning environmental and security aspects, and risk management (Oye et al. 2014). 
4.3
 
Synthetic biology in plants 
Synthetic  metabolic  pathways  may  be  designed  for  the  expression  in  heterologous  hosts,  in  particular 
microorganisms.  However,  for  a  range  of  applications  plants  will  be  better  suited,  e.g.  for  the  large  scale 
production  of  compounds  or  evidently  when  targeting  cell  walls  for  more  efficient  production  of  biomass. 
Concomitant  with  recent  advances  in  plant  biotechnology,  the  field  benefits  from  methods  for  synthetic 
biology that have already been successfully applied by the microbial biotechnology community. In particular 

---

Synthetic Biology | Applications of Synthetic Biology 
 
44 
DNA  assembly  techniques  are  also  adopted  by  plant  biologists  (Patron  2014).  However,  the  progress  in 
synthetic biology in plants is slower compared to that in microbial systems (O'Connor and Brutnell 2014).  
In the plant field, Arabidopsis thaliana is the model organism, and a plethora of information on gene function 
or metabolic and regulatory pathways has been created by basic research (Kliebenstein 2014). Thus, it may be 
seen as the plant equivalent to Escherichia coli or yeast, offering the possibility to use it as a platform organism 
(Nielsen and Keasling 2011). 
To date, there is scarce knowledge on plant genes in general (Rhee and Mutwil 2014), and consequently also 
on those involved in plant biosynthetic pathways. Thus, their manipulation is largely limited to selected, well 
characterised target genes. In addition, stable overexpression of multiple transgenes limits reconstruction of 
complex  biochemical  pathways  (Giuliano  2014).  It  is  therefore  important  to  understand  the  enzymes  that 
determine chemical features, and factors influencing functional properties (Zhang et al. 2014). Steps towards 
successful synthetic biology approaches include transcript profiling of selected plants to select candidate genes 
(i.e.  parts)  that  will  be  used  to  assemble  synthetic  metabolic  pathways  (Facchini  et  al.  2012).  Only  upon 
deciphering  the  regulatory  complexity  the  ultimate  of  synthetic  biology,  i.e.  engineering  of  changes  beyond 
the limits of natural variation, may be reached. Reports of synthetic biology approaches in plants are currently 
limited to synthetic regulatory elements and switches for the spatiotemporal manipulation of gene expression 
and engineering of signalling networks (Cabello et al. 2014). Despite some success, multi-gene transfer is still 
difficult (Jirschitzka et al. 2013). 
Important challenges that in particular apply to the plant field include the predictability of chosen approaches 
by establishing the number of genes to be manipulated; also potential interactions and modes of interaction 
remain to be determined (Kliebenstein 2014). Decomposition of systems by using reverse engineering is a way 
to investigate these questions. The genetic background plays a determinant role by controlling the outcome of 
genetic  manipulation,  e.g.  by  influencing  epigenetic  stability,  but  also  the  effect  the  introduced  sequences 
have on the host organism. To date, these effects become obvious whenever a transgene is introduced into an 
organism,  and  have  to  be  considered  when  attempting  synthetic  biology  approaches.  Questions  to  be 
answered also include which parts of the genomic background (nuclear and organellar genomes) have to be 
manipulated  to  optimise  the  expression  of  a  pathway,  but  also  the  fate  and  effects  of  the  engineered 
metabolite. In some cases there  is the  potential for toxicity, or the metabolite may cause   disruption of the 
metabolic  network.  In  any  case,  transcriptional  and  post-transcriptional  regulatory  changes  have  to  be 
monitored.  Designing  a  pathway  may  also  include  the  necessity  to  remove  the  plants  perception  of  the 
introduced  metabolite  or  its  precursors.  The  challenge  in  synthetic  biology  in  plants  thus  includes  to  create 
integrative models to facilitate predictive engineering. For this, a key component is to identify how the plant 
regulatory networks react to changes. 
Cabello et al. (2014) highlighted advances in plant synthetic biology that include the development of synthetic 
regulatory  elements,  switches  for  the  spatiotemporal  manipulation  of  gene  expression  and  engineering  of 
signalling  networks,  the  successful  introduction  of  a  synthetic  pathway  for  the  production  of  halogenated 
alkaloids in Catharanthus roseus, and the relocation of an entire cytochrome P450 monooxygenase  pathway 
from the  endoplasmatic reticulum to the chloroplast. Further reports describe  the  development  of an auxin 
biosensor,  or  the  design  of  a  synthetic  signal  transduction  pathway,  allowing  linking  the  detection  of  a 
metabolite to the expression of target genes. 
4.3.1
 
Assembly of plant pathways in heterologous hosts 
Heterologous  production  should  facilitate  rapid  and  robust  access  to  the  desired  compound.  Adjusting 
expression parameters for the new host and further codon optimisation are the prerequisites to achieve this 

---