Synthetic Biology Final Report

Synthetic Biology | Risk assessment and risk management 
 
61 
1.
 
How does the project using BioBricks™ affect the safety of the researcher? 
2.
 
How does the project using BioBricks™ affect public safety? 
3.
 
Which effects has the project on environmental safety? 
4.
 
Is a local biosafety group, committee, or review board involved in the risk assessment of the project? 
5.
 
Is the project using BioBricks™ following special/official, national or international biosafety guidelines/rules? 
6.
 
Do any new BioBrick™ parts or devices made in the context of the project raise any safety issues? 
 
An  obvious  advantage  of  the  iGEM  risk  assessment approach  is  its  open  access  feature  and  the  reliance  on 
standardised,  exactly  defined  and  characterised  genetic  elements  which  facilitates  risk  evaluation 
substantially. 
A certain drawback of the iGEM concept is its inclination on laboratory biosafety. BioBrick™ devices and viable 
constructs intended for deliberate release into the environment will have to be assessed thoroughly according 
to Directive 2001/18/ EC (EC 2001). 
The  engagement  of  the  scientific  community  in  implementing  biosafety  measures  is  essential  (NRC  2009). 
Without this commitment governments will run into difficulties to prevent accidents that could have possible 
adverse effects on public health (De Lorenzo 2010). Actually, the optimal time point to prevent potential harm 
is interfering during the developmental stage of a project. 
The  BioBrick™  concept  is  supporting  this  approach  substantially  and  the  involved  scientific  community  is 
raising awareness in this respect in a commendable way. 
5.6
 
Potential impacts of synthetic biology in relation to biosafety 
Biosafety in the context of synthetic biology is an issue of major concern. Accidental or deliberate release of 
organisms resulting from synthetic biology techniques (= SB organisms) may have  significant adverse effects 
on human or animal health or the environment. In the following chapter possible unintended effects caused 
by the intentional or unintentional release of SB organisms on the ecosystem, the accidental transfer of novel 
genes and hereditary material and the emergence of unpredictable properties of SB organisms are discussed. 
Measures  for mitigation of  these  undesirable  effects,  i.e.  the  application  appropriate  layers  of  containment, 
are presented in the following chapter. 
5.6.1
 
Impact on the ecosystem 
Intentional and unintentional releases 
Intentional and unintentional releases  of SB organisms (outside  from contained use  in research laboratories 
and production facilities) may result in adverse effects on biodiversity. Due to a change in biological fitness SB 
organisms may either become more invasive, show an increased persistence or an improved survival pattern 
and, thus, may reduce the viability of native inhabitants of the exposed habitat (Redford et al. 2013; Wright et 
al. 2013). In this sense SB organisms would represent a new class of environmental pollutants.(International 
Civil Society Working Group on Synthetic  Biology (ICSWGSB)  2011)  Even if their lifespan was  intended to be 
limited substantial short term interruptions in biodiversity may occur (compare with intermitting algal blooms) 
(Snow and Smith 2012). 
SB organisms intended for contained use 
 SB organisms originally intended only for contained use may accidentally be released into the environment by 
spillage or bioreactor leakage. Usually these kinds of organisms are thought to suffer from reduced fitness and 
are  believed  to  bear  a  selective  disadvantage  compared  to  wild  type  populations  (Garfinkel  and  Friedman 
2010;  De  Lorenzo  2010;  Bassler  2010).  However,  microbes  are  characterised  by  a  high  potential  for  rapid 

---

Synthetic Biology | Risk assessment and risk management 
 
62 
evolutionary change and innocuous or weak SB organisms may acquire fitness rapidly by beneficial mutations 
(Snow and Smith 2012). It should be clear that SB organisms – once released into the environment – cannot be 
retrieved anymore (Dana et al. 2012). 
The first step in mitigation potential risks by SB organisms is to impose physical barriers which should help to 
prevent  accidental  release  into  the  environment  (Schmidt  and  de  Lorenzo  2012).  As  physical  containment 
might  not  suffice,  biological  containment  is  proposed  as  a  solution  to  its  drawbacks  (Wright  et  al.  2013; 
Marliere 2009). For biological containment the following lines of research are proposed and pursued: 
a) induced lethality: “kill switches”, “suicide genes” 
This  approach  is  prone  to  mutations  reverting  the  targeted  phenotype  by  deactivation  of  the  lethal  gene 
(Schmidt and de Lorenzo 2012). Due to the high rate of evolution of microorganisms this strategy is expected 
to be unreliable (Wright et al. 2013). 
b) prevention of horizontal gene transfer 
The  application  of  phage-resistant  strains  or  of  plasmids  lacking  proper  transfer  sequences  is  proposed 
(Skerker et al. 2009). However, the prevention of uptake of free DNA by natural transformation of competent 
microorganisms will be challenging (Wright et al. 2013). 
c) trophic containment:  
Auxotrophic SB microorganisms relying on nutrients only present in in vitro settings may be designed (Marliere 
2009).  Accidental  release  into  the  environment  would  lead  to  cell  death  due  to  starvation.  This  approach 
suffers  from  several  drawbacks  as  the  necessary  nutrients might  well  be  present  in  the  environment  or  the 
auxotrophic  mutant  may  use  metabolites  from  neighbouring  organisms  or  horizontal  gene  transfer  might 
compensate for the auxotrophic mutations (Moe-Behrens et al. 2013; Wright et al. 2013). 
d) Semantic containment: Xenobiology 
The application of altered nucleotides and/or alternate backbones other than phospho-ribose and deoxyribose 
which  would  lead  to  incompatibilities  with  naturally  occurring  polymerases,  and  a  confinement  of  the  SB 
organism  from  the  living  environment  appears  to  be  promising  (Schmidt  2010b;  Marliere  2009).  However, 
unnatural  nucleotides  and  alternative  backbones  in  nucleic  acids  may  be  toxic  to  conventional  cells  (Moe-
Behrens et al. 2013). 
SB organisms intended for environmental release 
Contrary  to  the  experience  obtained  with  genetically  modified  microorganisms  to  date,  which  had  been 
deliberately  released and usually  did  not  perform  sufficiently  well  in  their respective  habitats,  SB organisms 
intended  for  environmental  release  are  especially  designed  to  survive  harsh  environmental  conditions 
(Anderson  et  al.  2012).  They  may  inherently  express  traits  which  provide  a  selective  advantage  in  the 
respective  habitat  reducing  inherently  the  survival  capabilities  of  indigenous  inhabitants  of  the  exposed 
ecosystem.  In  this  context  it  is  important  to  clarify  that  risk  assessors  and  regulators  to  date  have  only 
insufficient  experience  in  considering  potential  risks  of  intentional  SB  releases  and  that  they  have  no 
experience in considering potential risks arising from the evolution of SB microorganisms and their interactions 
with the native populations in their new habitat (Pauwels et al. 2013; Rodemeyer 2009). 

---