Synthetic Biology Final Report

Synthetic Biology | Applications of Synthetic Biology 
 
47 
methanotrophs (methane-using bacteria), which convert methane and other components of natural gas into 
liquid  hydrocarbons  that  can  be  used  to  make  fuels  and  chemicals  (CBD  2014).  Another  approach  for  the 
application  of  synthetic  biology  is  the  production  of  consolidated  bioprocessing  platforms  for  further  use  in 
biofuel  production.  The  process  works  via  engineering  microorganisms  to  generate  properties  that  allowed 
them  to  digest  plant  biomass  and  to  convert  it  to  hydrocarbons  that  have  the  characteristics  of  advanced 
biofuels. The requirements for such an organism are multiple pathways for hydrocarbon production and the 
capacity to sufficient enzymes to efficiently hydrolyse cellulose and hemicellulose.  An example in this research 
field is the biofuel production from ionic liquid-pretreated switchgrass (Panicum viragtum L.) using engineered 
Escherichia coli, without the addition of enzymes (Bokinsky et al. 2011). 
Another,  though  long-term  example  are  cyanobacteria  that  convert  carbon  dioxide,  untreated  water  and 
sunlight  into  liquid  hydrocarbons  that  are  the  functional  equivalent  of  diesel  and  ethanol  (U.S.  Patents 
#7,981,647 and #7,968,321). 
4.3.2
 
Review of existing applications in plant-like systems and higher plants 
Many efforts aim at the manipulation of algae and higher plants physiology and metabolic pathways for the 
production  of  desired  products  and  compounds,  of  which  biofuels  (bioethanol,  biodiesel  and  H
2
)  and 
pharmaceuticals  currently attract  most  interest  (Zurbriggen  et  al.  2012; Lee  2013).  In  this  context,  synthetic 
biology approaches  also allow  for the production of compounds with novel chemical properties. Prokaryotic 
(cyanobacteria) but also eukaryotic algae may be a target organism to produce advanced biofuels (e.g. butanol 
through photosynthesis); they have the additional advantage that they may be used in a (photo)bioreactor (no 
need for arable land), and may be programmed in a way not to require freshwater. Apart from biofuels, algae 
may  also  be  used  to  produce  pharmaceuticals-related  products  like  omega-3  fatty  acids,  e.g.  DHA 
(docosahexaenoic  acid)  and  EPA  (eicosapentaenoic  acid),  ARA  (arachidonic  acid,  an  omega-6  fatty  acid), 
chlorophylls, carotenoids, phycocyanins, allophycocyanin, phycoerythrin, etc. (Lee 2013). 
Algae for the production of desired compounds 
As molecular genetic manipulation of eukaryotic algae and/or prokaryotic blue-green algae (cyanobacteria) is 
easier  than  that  of  higher  plants  this  field  is  emerging  much  faster  than  the  latter  (Lee  2013).  Potential 
applications include biofuel-production, ultimately by direct conversion of sunlight to fuel. It may also be used 
to replace biomass production on arable land and the use of freshwater by employing other sources like sea-, 
ground- or even waste water. 
Biofuels  and  byproducts  can  be  synthesised  from  a  large  variety  of  algae  (Menetrez  2012).  Using  algae  and 
microalgae for the production of biofuels is an attractive application due to their potential to accumulate high 
amounts of lipids and due to high starch content providing a good source for bioethanol production (Safi et al. 
2014).  In  addition,  they  can  be  cultured  with  an  inexpensive  nutrient  regime,  have  faster  growth  rate 
compared to terrestrial plants and high biomass production. As they provide an alternative to current biofuel 
crops (e.g. soybean, corn, rapeseed and lignocellulosic feedstock) also less favoured environments (land that is 
unsuitable  for  agriculture,  brackish  coastal  water  and  seawater)  may  be  used,  adding  to  the  potential  to 
provide remediation for waste (Safi et al. 2014; Menetrez 2012). 
Microalgal  growth  may  be  autotrophic  (photosynthesis  under  appropriate  light  conditions),  heterotrophic 
(without  light,  requiring  an  organic  carbon  source), and  mixotrophic  (combination of  photosynthesis  and  an 
external carbon source). Finally, co-cultivation and co-immobilisation with bacteria is possible. Microalgae are 
harvested by centrifugation, flocculation, flotation, or filtration (reviewed in Safi et al. (2014)). 
Growth techniques for algae and microalgae include open pond systems that may be natural (lakes, lagoons, 
ponds) or wastewater, artificial ponds, or containers and tanks (Safi et al. 2014; Menetrez 2012). Open ponds 

---

Synthetic Biology | Applications of Synthetic Biology 
 
48 
are  the  most  common  and  cheapest  way  of  large-scale  biomass  production  and  are  in  particular  used  for 
strains  with  high  oil  content.  However,  open  systems  also  require  strict  control  systems  to  avoid  pollution, 
water evaporation, contaminants,  invading bacteria and the risk of growth of other algae  species. Stirring is 
necessary, at least near the end of the exponential growth phase, due to potential low surface to volume ratio 
and  poor  diffusion  of  CO
2
  to  the  atmosphere.  Alternatively,  closed  photo-bioreactors  (flat-plate,  tubular  or 
column)  are  used,  which  provide  a  managed  environment  that  allows  for  higher  cell  concentration  and  the 
production of pure pharmaceuticals, nutraceuticals and cosmetics. Major disadvantages of closed systems are 
higher costs (construction, sterilisation) and small illumination area. Balancing the advantages and constraints 
in both systems hybrid culture systems may be chosen. 
Algae  are  among  the  most  potentially  significant  sources  of  sustainable  biofuels  in  the  future  of  renewable 
energy (Menetrez 2012). There are several areas of researches for the production of biofuels based on algae 
and microalgae, classified as lower plants, and cyanobacteria, which have as bacteria the ability for oxygenic 
photosynthesis.  Lipids,  such  as  triacylglyceride  (TAGs),  and  carbohydrates,  both  derived  by  extraction  from 
algae, can be used as sources for the processing into biodiesel and ethanol (Menetrez 2012; Georgianna and 
Mayfield  2012).  Algae  are  commonly  genetically  engineered  to  allow  modification  for  agricultural  and 
industrial biofuel production (Menetrez 2012). Therefore also synthetic biology tools get included in the algae 
biomass and lipid production and further in optimisation strategies for these tools. Challenges are the finding 
of the ideal algal strain for effective production of biomass and photosynthetic activity and the adaptation to 
variations in temperature, light, salinity and pathogen load in agricultural systems. Strains of the algae classes 
Chlorophyceae, Eustigmatophyceae (f.i. Nannochloropsis sp.) and Haptophyceae are used to produce biofuels 
and other industrial organic chemicals but many other types of algae and photosynthetic active cyanobacteria 
get tested as further biofuel candidates. In agricultural production the cultivation of the algae is done in open 
ponds and for industrial production bioreactors or photobioreactors are use (Georgianna and Mayfield 2012). 
For  efficient,  large-scale  and  sustainable  algal  biofuel  production  further  engineering  strategies  and 
improvements  are  needed.  In  regard  to  applications  of  synthetic  biology  methods  combined  with  algal 
“farming” in open pond systems or bioreactors, also crop and environmental protection measures/strategies 
will be required. 
Biofuel production from biomass 
Attempts  to  improve  the  energy-conversion  efficiency  and  the  production  of  biofuels  from  non-food 
agricultural residues use the techniques of synthetic biology, and involve corn stalks, straws, grass clippings, 
prairie grasses, wood chips, and dedicated biomass crops, like sugar cane, corn, grain and switchgrass (Agrivida 
2012b;  Fesenko  and  Edwards  2014;  PCSBI  2010).  The  goal  is  to  produce  fuels  and  other  valuable  chemical 
products from simple, inexpensive and renewable starting materials in a sustainable manner (JBEI 2014). The 
various  synthetic  biology  alternatives  to  current  biofuel  production  methods  include  producing  cellulosic 
ethanol  (derived  from  cell  walls  rather  than  corn)  and  manufacturing  other  bioalcohols  with  synthetically 
manipulated biomass. A potentially more promising bioalcohol made by synthetic biology and used for energy 
production is butanol. Like ethanol, butanol is produced by the fermentation of sugars and starches or through 
the  breakdown  of  cellulose  (PCSBI  2010).  Companies  and  organisations,  like  Agrivida,  Amyris,  JBEI,  British 
Petroleum,  DuPont,  Gevo,  Global  Bioenergies,  LS  9,  Inc.,  try  or  already  use  synthetic  biology  to  produce 
biofuels (Lipp 2008; PCSBI 2010). However, the current market status varies and is difficult to assess (Table 4). 
The  efficiency  in  bioenergy  production  may  be  increased  by  modifying  plant  cell  walls  to  enhance  the 
digestibility  of  lignocellulosic  biomass  (Lee  2013).  Agrivida  has  created  a  proprietary  INzyme
TM
  molecular 
engineering  technology.  The  modified  enzymes  allow  a  significantly  more  efficient  conversion  of  plant  cell 
walls into sugars through the  production of embedded "dormant" enzymes, which are then activated under 
specific  post-harvest  conditions  (Agrivida  2012b;  BIO  2013). The modified  enzymes  can  break  down  a wider 

---