Synthetic Biology Final Report

Synthetic Biology | Content 
 
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List of Figures ........................................................................................................................................... 80 
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List of Tables ............................................................................................................................................. 81 
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Annex ....................................................................................................................................................... 82 
 

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Synthetic Biology | Executive Summary 
 
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Executive Summary 
Synthetic biology and synthetic genomics are emerging research fields that attract much attention due to their 
vast potential in diverse applications. To date there is neither a commonly accepted formal definition of the 
terms  nor  systematic  coordination  of  the  individual  research  and  development  efforts.  This  report  aims  at 
providing an overview of the current status concerning definitions and the conceptual framework, showing the 
diversity  of  potential  actors  characterised  by  diverse  backgrounds  and  approaches.  Based  on  the  state  of 
science and knowledge and the assessment of potential applications, approaches to risk assessment and risk 
management practices are discussed. Finally, recommendations for action are outlined. 
The  most  widely  used  definition  of  synthetic  biology  describes  it  as  the  design  and  construction  of  new 
biological parts, devices and systems or, alternatively, as the re-design of existing, natural biological systems 
for useful purposes. A key feature in synthetic biology is the application of engineering principles that aim at 
designing  and  constructing  organisms  with  novel  properties  previously  not  inherent.  This  is  done  by  two 
different approaches, which are either from scratch (“bottom-up”), or based on the minimal genome concept 
(“top-down”).    The  first  approach  involves  basic  building  units  (parts)  that  are  assembled  from  pieces  of 
synthesised DNA, and used to design and construct devices (multiple parts with defined functions), pathways 
and ultimately whole designer genomes. A number of approaches to assemble synthetic genomes have been 
developed that are based on standardisation of parts to facilitate assembly. The reverse, top-down approach 
aims  at  reducing  the  genome  to  the  minimal  set  of  genes  to  sustain  life  under  defined  conditions.  These 
minimal  cells,  also  termed  “chassis”,  serve  as  platform  cell  factories  into  which  synthetic  elements  can  be 
added. The preferred platforms are well-studied model organisms like Escherichia coli or yeast, which may also 
be  used  as  hosts  for  the  expression  of  plant  pathways.  Advanced  applications  using  microbes  aim  at  the 
production  of  desired  compounds  like  biofuels  or  pharmaceuticals  that  are  produced  in  contained  systems. 
Given the uncertainty concerning the effects of unintentional release, a scenario which is moreover prone to 
sustain, reliable containment measures are of utmost importance. 
Synthetic biology endeavours in plants clearly lag behind those in microbes. The most advanced developments 
encompass  the  production  of  biofuels,  for  which  possible  strategies  in  various  stages  of  development  were 
identified.  In  the  long  term,  synthetic  biology  will  likely  involve  the  environmental  release  of  higher  plants, 
mostly intended for use in the bioenergy sector.  
Organisms  developed  by  synthetic  biology  are  expected  to  differ  significantly  from  their  presently  existing 
counterparts  concerning  their  properties  but  also  fitness,  including  potential  invasiveness  and  persistence. 
There  is  still  considerable  uncertainty  concerning  future  developments,  consequently  the  analysis  risk 
assessment and risk management procedures has to remain general at this stage. One major requirement will 
be to enhance the predictability of synthetic organisms to fill knowledge gaps due to limited information from 
practical experiences and to identify the best experimental set-ups. It is also of pivotal importance to establish 
data  requirements  and  appropriate  safety  levels,  an  effort  to  be  aided  by  adequate  risk  research.  Another 
important aspect is to intensify efforts concerning international coordination to reach a consensus as to which 
developments fall under the scope of synthetic biology. In this context, there is the urgent need to define clear 
and legally binding rules and control measures for actors in the field. 

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Synthetic Biology | Zusammenfassung 
 
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Zusammenfassung 
Synthetische  Biologie  und synthetische  Genomik  sind  neu  entstehende  Forschungsfelder,  die  aufgrund  ihres 
enormen Potenzials in den unterschiedlichsten Anwendungen viel Aufmerksamkeit auf sich ziehen. Bis heute 
gibt es weder eine allgemein akzeptierte formale Definition der Begriffe noch eine systematische Koordination 
der  einzelnen  Forschungs-und  Entwicklungsanstrengungen.  Dieser  Bericht  gibt  einen  Überblick  über  den 
aktuellen  Status  betreffend  Definitionen  und  den  konzeptionellen  Rahmen  und  zeigt  die  Vielfalt  der 
potenziellen  Akteure  und  ihre  unterschiedlichen  Hintergründe  und  Ansätze.  Basierend  auf  dem  Stand  von 
Wissenschaft  und  Wissen  und  die  Abschätzung  der  möglichen  Anwendungen  werden  Ansätze  zur 
Risikobewertung  und  Risikomanagement  diskutiert.  Der  Bericht  schließt  mit  Empfehlungen  zum 
Handlungsbedarf. 
Die  am  häufigsten  verwendete  Definition  der  synthetischen  Biologie  beschreibt  sie  als  die  Planung  und 
Konstruktion  von  neuen  biologischen  Teilen,  Baugruppen  und  Systemen  oder  alternativ  als  Re-Design 
bestehender  natürlicher  biologischer  Systeme  für  nützliche  Zwecke.  Ein  wesentliches  Merkmal  in  der 
synthetischen Biologie ist die Anwendung von ingenieurwissenschaftlichen Prinzipien, die auf die Entwicklung 
und Realisierung von Organismen mit bisher nicht bestehenden neuen Eigenschaften abzielen. Das kann durch 
zwei Ansätze erreicht werden, entweder im Aufbau "bottom-up" oder auf der Grundlage des Minimalgenom-
Konzeptes  ("top-down"). Der  erste  Ansatz  beinhaltet Grundbausteine  (Teile),  die  aus  Stücken  synthetisierter 
DNA zusammengesetzt sind, und die für die Gestaltung und die Konstruktion von Baugruppen (mehrere Teile 
mit  definierten  Funktionen),  biologischer  Wege  und  letztlich  ganzer  Designer-Genome  verwendet  werden. 
Eine Reihe von Ansätzen zur Herstellung synthetischer Genome wurde entwickelt, die auf der Standardisierung 
von  Teilen  basieren,  um  den  Aufbau  zu  erleichtern.  Der  entgegengesetzte  Top-Down-Ansatz  beruht  auf  der 
Verkleinerung des Genoms bis zum minimalen Satz von Genen, die das Leben unter definierten Bedingungen 
aufrechterhalten. Diese Minimalzellen, auch als "Chassis" bezeichnet, dienen als Plattform/Zellfabriken, in die 
synthetische  Elemente  hinzugefügt  werden  können.  Die  bevorzugten  Plattformen  sind  gut  untersuchte 
Modellorganismen wie Escherichia coli oder Hefe, die als Wirtsorganismus für die Expression von pflanzlichen 
Stoffwechselwegen  verwendet  werden  können.  Bestehende  Anwendungen  von  Mikroben  zielen  auf  die 
Erzeugung von gewünschten Verbindungen wie Biokraftstoffen oder Pharmazeutika ab, die in geschlossenen 
Systemen  produziert  werden.  Angesichts  der  Unsicherheit  über  die  Auswirkungen  unbeabsichtigter 
Freisetzung,  ein  Szenario,  das  zudem  nicht  rückgängig  gemacht  werden  kann,  sind  zuverlässige 
Sicherheitsmaßnahmen von größter Bedeutung. 
Die  Verwendung  von  synthetischer  Biologie  in  Pflanzen  liegt  deutlich  hinter  jener  in  Mikroben  zurück.  Die 
fortschrittlichsten Entwicklungen umfassen die Produktion von Biokraftstoffen, für die mögliche Strategien in 
verschiedenen  Stadien  der  Entwicklung  identifiziert  wurden.  Auf  lange  Sicht  wird  die  synthetische  Biologie 
wahrscheinlich die Freisetzung in die Umwelt von höheren Pflanzen vor allem für den Einsatz im Bioenergie-
Sektor mit sich bringen. 
Für  Organismen,  die  durch  synthetische  Biologie  entwickelt  werden,  wird  erwartet,  dass  sie  sich  von  den 
gegenwärtig  existierenden  Gegenstücken  nicht  nur  durch  ihre  Eigenschaften,  sondern  auch  in  ihrer  Fitness 
wesentlich  unterscheiden,  einschließlich  potenzieller  Invasivität  und  Beständigkeit.  Es  gibt  immer  noch 
erhebliche Unsicherheit über künftige Entwicklungen, damit muss die Analyse der aktuellen Risikobewertung 
und  Risikomanagement-Verfahren  in  diesem  Stadium  allgemein  bleiben.  Eine  wichtige  Voraussetzung  wird 
sein,  die  Berechenbarkeit  von  synthetischen  Organismen  zu  verbessern,  damit  Wissenslücken  aufgrund  der 
begrenzten  Informationen  aus  der  Praxis  zu  füllen  und  die  besten  experimentellen  Anordnungen  zu 
identifizieren. Es ist auch von zentraler Bedeutung, Datenanforderungen und entsprechende Sicherheitsstufen 
festzulegen,  ein  Bestreben,  das  mit  einer  angemessenen  Risikoforschung  zu  unterstützen  ist.  Ein  weiterer 

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