Synthetic Biology Final Report

Synthetic Biology | Zusammenfassung 
 
7 
wichtiger Aspekt ist, die Bemühungen um die internationale Koordinierung zu intensivieren und einen Konsens 
über  die  in  den  Bereich  der  synthetischen  Biologie  fallenden  Entwicklungen  zu  erreichen.  In  diesem 
Zusammenhang  besteht  die  dringende  Notwendigkeit,  klare  und  rechtsverbindliche  Vorschriften  und 
Kontrollmaßnahmen für Akteure im Bereich zu definieren. 

---

Synthetic Biology | Background and Aims 
 
8 
Background and aims 
In  this  study,  we  present  an  overview  of  the  intensively  discussed  field  of  synthetic  biology/synthetic 
genomics. It has been included into the catalogue of emerging techniques that are currently being evaluated 
by  regulatory  bodies  in  a  number  of  countries,  including  the  European  Union  (Lusser  et  al.  2011).  Using 
synthetic biology/synthetic genomics, existing organisms may be reproduced in vitro, natural ones be modified 
or completely artificial organisms be created. 
To  date  there  is  no  conclusive  decision  as  to  a  formal  definition  of  synthetic  biology  or  synthetic  genomics. 
Based  on  a  comprehensive  literature  research  current  definitions  of  “synthetic  biology”  and  “synthetic 
genomics”  are  presented;  a  clear  bias  towards  the  use  of  the  term  “synthetic  biology”  was  identified.  The 
literature  research  provided  the  conceptual  framework  of  this  report.  Following  this  general  assessment, 
state-of-the-art methods applied to assemble synthetic genomes are reviewed, and the relevant approaches, 
methods and techniques to build a synthetic genome are discussed. Particular attention is paid to the major 
elements  of  synthetic  genomic  approaches,  i.e.  parts,  genes,  devices  pathways  and  genomes.  Parts  are 
generated from synthesised DNA and are assembled to larger units following a clear design.  
The next part of this report focuses on existing and emerging applications of synthetic biology. Whereas there 
have been major advances in microbial systems, the technique is still in its infancy in the plant field. In most 
cases these organisms are grown in contained systems, which is also the case for heterologous hosts that are 
used  to  express  plant  pathways  created  by  synthetic  biology  approaches.  The  latter  may  also  be  seen  as 
developments  that  aid  future  applications  in  higher  plants.  Even  though  developed  for  closed  systems  it 
cannot  be  excluded  that  these  microorganisms  are  released  unintentionally.  Potential  deliberate 
environmental release scenarios are related to the microbial field and to “plant-like” systems like microalgae, 
and implications for risk management are discussed. 
Despite the currently prevailing preference for contained use of microbes and microalgae, some applications 
might  also  involve  deliberate  release  of  higher  plants.  Considerable  potential  of  the  technique  related  to 
industrial applications is forecast. The most important are the production of valuable compounds and uses in 
the  bioenergy  sector,  which  will  potentially  lead  to  environmental  release.  In  view  of  this,  the  major 
differences between current risk assessment procedures for genetically modified plants and those relevant for 
synthetic biology approaches are highlighted. 
The report concludes with recommendations. We raise aspects that should be considered when evaluating the 
challenges related to possible applications of synthetic biology. Due to the fast development of the field these 
recommendations are indicative as contemporary uncertainties concerning future uses have to be taken into 
account.

---

Synthetic Biology | Introduction 
 
9 
1
 
Introduction 
1.1
 
What is synthetic biology? 
Synthetic biology is an emerging field that potentially offers an indefinite number of possibilities and potential 
applications. To this end, it integrates a number of different disciplines from engineering to basic science that 
join  in  a  common  effort  to  achieve  a  previously  determined  aim.  The  ongoing  discussions  concerning  the 
definition of synthetic biology point towards the lack of global coordination of the developments in the field. 
As a consequence, also no widely accepted definition of synthetic biology has emerged to date. Briefly, it may 
be  summarised  as  the  application  of  engineering  principles  to  the  fundamental  components of  biology  (see 
also 
http://www.synbioproject.org/
), an explanation elaborated by the NEST (New and Emerging Science and 
Technology) High-Level Expert Group (EC 2005): 
Synthetic  biology  is  the  engineering  of  biology:  the  synthesis  of  complex,  biologically  based  (or  inspired)  systems 
which display functions that do not exist in nature. This engineering perspective may be applied at all levels of the 
hierarchy  of  biological  structures  –  from  individual  molecules  to  whole  cells,  tissues  and  organisms.  In  essence, 
synthetic biology will enable the design of ‘biological systems’ in a rational and systematic way. 
 
Following this depiction, the aims of synthetic biology are to systematically improve existing biological systems 
and  create  new  ones  (Arpino  et  al.  2013).  With  this  in  mind,  synthetic  biology  is  characterised  by  a  dual 
definition,  aiming  on  the  one  hand  to  construct  new  biological  parts  (e.g.  promoters,  terminators,  open 
reading frames), devices (combinations of parts) and systems (biological entities, from biological structures to 
organisms), and on the other hand to re-design existing parts (Porcar and Pereto 2012). To achieve these aims, 
a specific objective is designed a priori and the functionality for defined inputs and outputs is specified. 
Synthetic biology pursues to make the engineering of biological systems easier and more predictable  (Kitney 
and  Freemont  2012).  Emerging  from  basic  science,  well-characterised  biological  components  are  provided, 
from  which  standard  modular  parts  are  constructed  (Haseloff  and  Ajioka  2009).  These  modular/molecular 
parts  are  nucleic  acids  and  proteins,  and  the  aim  is  to  assemble  them  in  a  way  to  predict  their  behaviour 
(Haynes  and  Silver  2009).  They  are  used  to  design  proteins  with  novel  functions,  to  build  genetic  circuits 
(biological parts designed to perform specific logical functions), or synthetic genomes (Polka and Silver 2013). 
(Re-)designing  of  a  system  includes  transcriptional,  translational  and  post-translational  parameters,  and 
standard  optimisation  and  control  engineering  approaches  to  find  the  best  parameter  choice  to  achieve  a 
desired  objective.  Like  in  other  fields  of  engineering,  standard  systems  can  be  produced  from  standard 
devices,  i.e.  functional  combinations  of  parts,  which,  in  turn,  are  produced  from  standard  parts  (or 
components)  (Kitney  and  Freemont  2012).  It  becomes  clear  that  standardisation  is  a  key  prerequisite  to 
engineering efforts, the results of which are verified by combining simulations and analytical methods (Arpino 
et al. 2013). 
The design and generation of new biological parts for the modular construction of biological genetic systems 
(Zurbriggen  et  al.  2012)  is  a  key  aspect  of  synthetic  biology.  Basic  prerequisites  for  a  synthetic  biology 
approach are sufficient data on genes, proteins and metabolites, the decline of costs and increase in efficiency 
of  oligonucleotide  synthesis,  and  the  development  of  precise  techniques  for  studying  cellular  metabolism 
(Yadav et al. 2012). Breakthrough technologies to enable efficient and successful use of synthetic biology are, 
inter  alia,  improved  DNA  synthesis,    advances  in  high-throughput  DNA  sequencing  and  large-scale 
biomolecular modelling of metabolic and signalling networks (Esvelt and Wang 2013). Furthermore, detailed 
knowledge  of  the  host  cell  (referred  to  as  “chassis”),  thorough  characterisation  of  parts,  their  functional 

---