Synthetic Biology Final Report

Synthetic Biology | Risk assessment and risk management 
 
57 
be adequate to assess the risk of gene transfer. Gene transfer of synthetic plants depends on the likelihood of 
plant  pollination,  but  also  the  release  of  high-copy  plasmids  from  dead  cells  might  result  in  gene  transfer. 
Interactions between plants with synthetic modifications and natural organisms have to be considered as well. 
Such  modifications  may  enable  synthetic  cells  to  adhere  with  natural  cells  or  invade  cell  membranes. 
Experiments need to be carried out in order to measure any synergistic or toxic effect on cells caused by the 
synthetic plant (Moe-Behrens et al. 2013). 
Currently, it is highly unclear how all risks that may occur with synthetic higher plants can be fully assessed. 
This  applies  in  particular  for  organisms  which  are  based  potentially  on  a  different  nucleic  acid  or  on  an 
enlarged  genetic  alphabet.  In  this  context  it  has  to  be  noted  that  organisms  based  on  an  enlarged  genetic 
alphabet might avoid natural predators at all, possibly enabling unrestricted spread. Moreover, the use of an 
extended genetic code is mentioned in scientific literature, but only in connection with bacteria and not with 
higher  plants.  So  it  is  speculated  that  the  use  of  an  extended  genetic  code  and  a  corresponding  novel 
polymerase could lead to a synthetic Escherichia coli organism. However, it is extremely unlikely that anything 
like that or even more that a synthetic higher plant will soon occur (Schmidt 2010a). 
5.4
 
Assessment  of  the  practical  consequences  and  risks  of  a  release  into  the 
environment of plants created by synthetic genomics 
From the data available, it is extremely unlikely that release experiments of synthetic higher plants in the strict 
sense will be performed in the near and mid future. What is more realistic are synthetic biology approaches 
implemented  for  the  development  of  photosynthetic  microorganisms,  cyanobacteria  and  microalgae 
(unicellular algae). Different approaches for redesign of the photosynthetic apparatus of microalgae or novel 
pathway  for  the  production  of  compounds  with  novel  chemical  properties  were  reported  (Zurbriggen  et  al. 
2012). 
Microalgae modified by genetic engineering are currently used for different industrial processes, of which the 
most  prominent  is  the  production  of  biofuels  (Wageningen  UR  2014).  The  most  important  risk  assessment 
strategies  for  these  release  scenarios  have  been  described  which  provide  fundamental  aspects  that  are 
essential to be mentioned also with respect to microalgae produced by new technologies including synthetic 
biology. 
Microalgae  can  be  cultivated  in  different  aqueous  systems,  from  open  air  ponds  to  closed  bioreactors  with 
closely controlled environments. Potential hazards may be  identified in connection with the amplification of 
microbial  populations,  microalgae  (including  synthetic  organisms),  toxins,  and  enzymes  in  such  cultivation 
systems that  may be  potentially hazardous to the environment and individuals. Each process could produce 
potentially pathogenic, toxic, infective, or allergenic compounds. Any impacts of a release scenario, therefore, 
can  be  risk  assessed  only  by  the  complete  understanding  of  the  process  employed  and  the  specific  algal 
organism used. Specifications of the synthetic organisms and their behaviour under different conditions need 
to be fully understood and characterised. 
Therefore,  the  most  important  points  in  relation  to  the  risk  assessment  of  the  production  of  industrial 
compounds including biofuels by synthetic microalgae are (modified from EFSA (2011); Wozniak et al. (2012)): 

 
submission of all available data on the microorganism(s) (e.g. the synthetic biology approach) and the 
planned activities, 

 
a priori evaluation of the release into the environment, 

 
information and discussion concerning actual or potential effects on health or the environment of the 
microalgae along with their phenotypic and ecological characteristics, 

---

Synthetic Biology | Risk assessment and risk management 
 
58 

 
utilisation of experimental data proving the absence of pathogenicity (e.g. toxicity studies) taking 
account of: 

 
the presence and levels of synthetic material or other new constituents (synthetic DNA/proteins, 
unnatural molecules, etc.) 

 
the differences between the synthetic organism and natural systems regarding e.g. gene regulation, 
metabolic functions, chemistry, cellular components, responses to different environments 

 
the impact of other changes in anatomical, nutritional and physiological characteristics due to the 
synthetic design process 

 
information about the proposed field testing activity including the objectives and significance of the 
activity with a rationale for the release in the environment, 

 
the numbers and frequency of microorganisms released by the proposed application, 

 
full characterisation of the location including the geographical, physical, chemical, and biological 
features, and proximity to human habitation or activity, and 

 
description of the proposed confinement procedures, potential mitigation and emergency procedures, 
and the procedures for routine termination of the activity. 
5.5
 
Biosafety considerations on BioBricks™ used for Synthetic Biology 
The backbone of biosafety assessment is the classification of host (micro-) organisms into four risk groups as 
set out in Table 5 (WHO 2004). 
Risk 
Classification 
Definition 
Explanation 
Risk Group 1 
no 
or 
low 
individual 
and 
community risk 
A microorganism that is unlikely to cause human or animal disease. 
Risk Group 2 
moderate 
individual 
risk, 
low  community 
risk 
A pathogen that can cause human or animal disease but is unlikely 
to  be  a  serious  hazard  to  laboratory  workers,  the  community, 
livestock  or  the  environment.  Laboratory  exposures  may  cause 
serious  infection,  but  effective  treatment  and  preventive  measures 
are available and the risk of spread of infection is limited. 
Risk Group 3 
high 
individual 
risk, 
low 
community risk 
A pathogen that usually causes serious human or animal disease but 
does  not  ordinarily spread  from  one  infected  individual  to  another. 
Effective treatment and preventive measures are available. 
Risk Group 4 
high 
individual 
and  community 
risk 
A pathogen that usually causes serious human or animal disease and 
that  can  be  readily  transmitted  from  one  individual  to  another, 
directly  or  indirectly.  Effective  treatment  and  preventive  measures 
are not usually available. 
Table 5: Classification of host (micro-) organisms by risk groups (NIH 2013) 
As  any  new  technique  may  represent  a  risk  to  human,  animal  or  environmental  health  Synthetic  Biology  is 
subject to specific regulations in order to perform research in a responsible and safe way  (Check 2005). This 
circumstance  is  of  special  relevance  for  projects  intended  to  be  released  into  the  environment  or  for 
commercial use. 
The focus of risk assessment of constructs designed with BioBricks™ has usually been put on laboratory safety 
based upon biosafety guidelines as published by the NIH (NIH guidelines for research involving recombinant or 
synthetic nucleic acid molecules) (NIH 2013) and WHO (Laboratory biosafety manual) (WHO 2004). 
However, a biosafety level designation is not exclusively based upon the classification of the host organism but 
is a composite of design features, construction, containment facilities, equipment, practices and operational 
procedures required for working with agents from the various risk groups as displayed in Table 6. 

---