Synthetic Biology Final Report

Synthetic Biology | Applications of Synthetic Biology 
 
45 
aim  (Li  and  Pfeifer  2014).  Despite  many  advances,  the  choice  of  the  proper  host  is  a  matter  of  balancing 
advantages and challenges. As an alternative,  a new host may  be  built  –  “bottom-up”  –  to optimise  cellular 
function and heterologous production. Microbial engineering of plant  pathways, however, will also  facilitate 
the  discovery  of  biosynthetic  genes  and  the  analysis of  plant  metabolite synthesis,  and  thus  be  an essential 
step towards using the potential of synthetic biology (Facchini et al. 2012). Pathway assembly in yeast may, for 
instance, contribute to the discovery of gene function, in particular when  in vitro enzyme characterisation is 
not  possible,  to  optimise  pathway  efficiency,  and  also  as  a  combinatorial  biochemistry  platform  to  produce 
novel molecules in plants. 
Interest  in  plant  metabolism  is  growing  as  plants  represent  an  enormous  repository  of  bioactive  natural 
products  of  pharmaceutical  and  biotechnological  importance  (Xu  et  al.  2013).  These  products  are  currently 
mostly  extracted  from  their  native  plant  sources  or  semi-synthesised  from  extracted  intermediates,  both 
processes that potentially suffer from low yield and complicated downstream purification processes. Synthesis 
may involve toxic catalysts or require extreme reaction conditions. Microbial metabolic engineering is a way to 
overcome  these  limitations,  and  offers  the  possibility  to  use  a  genetically  tractable  organism.  As  more  and 
more  genetic  parts  and  devices  are  characterised  (e.g.  synthetic  promoter  libraries  or  synthetic  ribosome 
binding sites are available) and the cost of DNA synthesis declines, tailor-made cell factories may be designed 
and created for high-throughput, efficient production of natural products and fuels. 
It is thus not surprising that one of the major potential application of synthetic biology using plant resources is 
the reconstruction of plant biosynthetic pathways in heterologous hosts  (Li and Pfeifer 2014). In parallel, for 
example codons can be optimised or unnecessary sequences removed. This approach shows one of the most 
important advantages of synthetic biology as compared to “simple” metabolic engineering, namely rendering 
production  more  efficient.  Alternative  to  already  existing  pathways  that  are  optimised  there  is  also  the 
possibility to build a pathway from genes/enzymes with known functionality. The ultimate aim  is to provide 
rapid  and  robust  access  to  the  desired  compound.  In  this  context,  synthetic  biology  plays  a  crucial  role  in 
improving expression and thus productivity. 
Yeast (Saccharomyces cerevisiae) is the organism of choice for the reconstruction of complex plant pathways 
(Facchini  et  al. 2012).  One  reason  for this  is  that  genome-wide  metabolic  models  and  genetic  resources  are 
available, and, more importantly, that optimal expression and activity of plant enzymes require a eukaryotic 
cell environment. Microbial hosts may be engineered to produce sufficient levels of metabolic precursors and 
are the starting point for the stepwise introduction of plant genes for the production of central intermediates 
in  the  targeted  pathway  up  to  the  creation  of  novel  metabolic  pathways.  Challenges  include  finding  the 
optimal selection of regulatory elements for optimised pathway flux but also to overcome the limitations due 
to the dynamic behaviour of complex biological systems, e.g. the maintenance of a constant level of essential 
precursor metabolite  flux that causes only  limited performance  improvement  (Xu et al. 2013; Facchini et  al. 
2012).  Despite  such  challenges,  both  Escherichia  coli  and  Saccharomyces  cerevisiae  have  been  successfully 
used to produce fatty acids, terpenoids, flavonoids, polyketides and alkaloids (Xu et al. 2013).  
Besides  Saccharomyces  cerevisiae  and  Escherichia  coli,  Candida  utilis,  Streptomyces  avermitilis,  and  Bacillus 
subtilis  have  been  used  as  heterologous  hosts  for  the  production  of  plant-derived  isoprenoid  products,  like 
lycopene from tomato, artemisin against malaria from Artemisia annua, and paclitaxel (taxadiene) with anti-
cancer properties from Taxus brevifolia (reviewed in Li and Pfeifer (2014)). Another example is the production 
of isoprenoids in Escherichia coli (Ajikumar et al. 2010). 
Advanced applications of microorganisms in the biofuel sector 
Yeast  metabolism  is  converted  such  that  the  specific  hydrocarbon  or  the  target  molecule  farnesene  is 
produced. Yeast uses sugar as a nutrient and as a feedstock (Amyris 2014). It may be designed in a way that it 

---

Synthetic Biology | Applications of Synthetic Biology 
 
46 
directly converts sugar into the targeted end product bio-isobutane and consequently in high-octane gasoline 
(PCSBI 2010; Bioenergies 2014). 
LS9  has  developed  a  platform  technology  that  leverages  the  natural  efficiency  of  microbial  fatty  acid 
biosynthesis  to  produce  a  diversity  of  drop‐in  fuels  and  chemicals.  Microorganisms  modified  by  synthetic 
biology may perform a one‐step conversion of renewable carbohydrates (sugars) to two diesel alternatives, a 
fatty acid methyl ester and an alkane (BIO 2013).To achieve this, alkane biosynthetic genes were engineered 
into Escherichia coli.  
“Synthetic biology has been essential in engineering the LS9 microbial catalysts. The biosynthetic pathways to 
produce finished fuel products do not exist in the native  Escherichia coli host, and prior to our efforts alkane 
biosynthetic genes were unknown. LS9 designed the pathways, synthesised the genes encoding each enzyme in 
the  pathway,  and  constructed  multigene  biosynthetic  operons  enabling  production.  To  improve  yield, 
productivity,  and  titer  –  the  drivers  of  process  economic  efficiency  –  the  biosynthetic  pathways  and  host 
metabolism  have  required  significant  genetic  optimization.  LS9  developed  capabilities  for  the  computational 
design and automated parallel construction of gene, operon, and recombinant cell libraries that have enabled 
the rapid construction and evaluation of thousands of rationally engineered microorganisms. This capability in 
combination with state of the art screening, process development, and analytical methodologies has enabled 
LS9 in only a few years to advance from concept to a process slated for commercial‐scale demonstration” (BIO 
2013). 
 
Figure  13:  Producing  biofuels  and  renewable  chemicals  by  means  of  synthetic  biology;  adapted  from  BIO  (2013); 
TM….trade mark 
Global Bioenergies (BIO 2013; Bioenergies 2014) modified several enzymes in a way so that enzymatic catalysis 
within  artificial  metabolic  pathways  was  achieved.  Subsequently,  these  enzymes  were  integrated  into  a 
bacterium which converts sugar into bio-isobutane. 
Some bacteria have the built-in enzymes to manufacture butanol, but the natural process is not very fast or 
high-yield. Synthetic biologists have engineered the easy-to-manipulate bacterium Escherichia coli to improve 
this bacterial biochemical reaction to make butanol more industrially useful (PCSBI 2010). 
Certain  microorganisms  have  evolved  to  be  proficient  in  converting  lignocellulosic  material  to  ethanol, 
biobutanol and other biofuels. A longstanding challenge in metabolic and genetic engineering is determining 
whether  to  improve  the  isolate  host’s  production  capacity  or  whether  to  transplant  the  desired  genes  or 
pathways into an industrial model host, such as Escherichia coli or Saccharomyces cerevisiae (Khalil and Collins 
2010).  For  example,  Calysta  engineered,  by  means  of  synthetic  biology,  the  metabolic  pathways  of 

---