Synthetic Biology Final Report

Synthetic Genomics | Annex
 
 
112 
Synthetic biology is an emerging field of interdisciplinary research that seeks to transform our ability to probe, 
manipulate,  and  interface  with  living  systems  by  combining  the  knowledge  and  techniques  of  biology, 
chemistry, computer science, and engineering. Its main aim is to increase the ease and efficiency with which 
biological 
systems 
can 
be 
designed, 
constructed, 
and 
characterized. 
A central aim of synthetic biology is to increase the ease and efficiency with which biological systems can be 
designed,  constructed,  and  characterized.  Synthetic  biology  is  transforming  biosynthesis  capabilities  by 
providing new tools that support pathway construction and optimization. 
Chiarabelli et al. (2012) 
Synthetic biology is first represented in terms of two complementary aspects, the bio-engineering one, based 
on the  genetic  manipulation  of extant microbial forms in order to obtain forms of life  which do not  exist  in 
nature;  and  the  chemical  synthetic  biology,  an  approach  mostly  based  on  chemical  manipulation  for  the 
laboratory 
synthesis 
of 
biological 
structures 
that 
do 
not 
exist 
in 
nature. 
The notion of synthetic biology (SB) is by now well accredited in the experimental life sciences, and is generally 
seen  as  the  modern  and  most  ambitious  development  of  bioengineering  and  biotechnology  in  general.  The 
term ambitious is appropriate, as one of the declared aims of SB is the laboratory construction of alternative 
forms 
of 
life, 
namely 
forms 
of 
life 
that 
do 
not 
exist 
in 
nature. 
Our work on Never Born Biopolymers  lays within the  framework of the  novel and unconventional approach 
dubbed ‘‘chemical synthetic biology’’ [8–10], which, as already mentioned, is concerned with the synthesis of 
chemical  structures  such  as  proteins,  nucleic  acids,  vesicular  forms  and  other  which  do  not  exist  in  nature. 
The  common  notion  of  synthetic  biology  refers  to  new  forms  of  microbial  life  obtained  through  genetic 
manipulation of the extant life forms – a classic bioengineering approach. The few pages of the present review 
make  however  clear  that  synthetic  biology  has  an  additional  dimension,  that  related  to  the  term  ‘‘chemical 
synthetic biology’’. Here, the production of biological structures alternative to the natural ones is carried out 
by  using  chemical  and  biochemical  technology:  we  have  seen  in  this  review  application  of  the  physico-
chemistry of vesicles, the ribosomal protein synthetic apparatus, peptide catalysis, enzymatic assays, etc. 
Danchin A (2012) 
The  present  avatar  of  «Synthetic  Biology»  (SB)  assumes  that  we  know  enough  of  what  life  is  to  allow  us  to 
construct  life  from  scratch,  or,  at  least,  to  modify  existing  cells  and  organisms  so  that  they  work  as  cell 
factories. With this view SB puts together two separate entities, a program (the conceptual extension of the 
genetic program) and a chassis (the conceptual extension of the living cell). 
Firman et al. (2012) 
One  definition  of  Synthetic  Biology  is  ‘‘the  application  of  engineering  principles  to  the  study  of  the 
fundamental  components  of  biology’’,  but  there  are  major  problems  associated  with  this  basic  premise  – 
biological systems are very different from electronic systems, or chemical systems, and new combinations do 
not always behave as expected. 
Giessen and Marahiel (2012) 
It is in this light that synthetic biology, usually defined as the de novo design of new or the redesign of existing 
biological  systems,  ranging  from  single  enzymes  (protein  engineering)  to  whole  biosynthetic  pathways 
(metabolic  engineering),  offers  new  approaches  and  methodologies  that  may  help  to  tackle  this  urgent 
problem. 
Gorochowski et al. (2012) 

---

Synthetic Genomics | Annex
 
 
113 
Systems  and  synthetic  biology  rely  on  mathematical  modeling  and  computational  simulation  to  predict  the 
behavior of biological systems and facilitate the design of novel systems. 
Gregorczyk et al. (2012) 
While systems biology aims to develop a formal understanding of biological processes via the development of 
quantitative  mathematical  models,  synthetic  biology  aims  to  use  such  models  to  design  unique  biological 
circuits (synthetic networks) in the cell able to perform specific tasks. 
Jain KK (2012) 
Synthetic biology, application of synthetic chemistry to biology, is a broad term that covers the engineering of 
biological  systems  with  structures  and  functions  not  found  in  nature  to  process  information,  manipulate 
chemicals, produce energy, maintain cell environment and enhance human health. Synthetic biology includes 
technologies for DNA synthesis and assembly of fragments of DNA for gene synthesis, sometimes referred to 
as synthetic genomics. 
Kelle A (2012) 
Over  recent  years  the  label  ‘synthetic  biology’  has  been  attached  to  a  number  of  diverse  research  and 
development  activities,  ranging  from  the  development  of  ‘BioBricks’  to  the  search  for  a  minimal  cell  to  the 
delivery 
of 
customized 
genes 
by 
DNA 
synthesis 
companies. 
Whereas  standard  biology  treats  the  structure  and  chemistry  of  living  things  as  natural  phenomena  to  be 
understood  and  explained,  synthetic  biology  treats  biochemical  processes,  molecules  and  structures  as  raw 
materials and tools to be used in novel and potentially useful ways, often quite independent of their natural 
roles. 
Not  surprisingly  for  a  scientific  discipline  in  its  formative  phase,  several  competing  definitions  exist  for 
synthetic  biology.  One  that  has  received  much  attention  describes  synthetic  biology  as  ‘the  design  and 
construction  of  new  biological  parts,  devices,  and  systems,  and  the  re-design  of  existing,  natural  biological 
systems for useful purposes’. 
Four  different  sub-strands  of  synthetic  biology  are  distinguished  here:  •  Engineering  DNA  based  biological 
circuits, by using standardized biological parts; • Identifying the minimal genome; • Constructing protocells, in 
other words living cells from base chemicals; and •  Creating orthogonal biological systems in the laboratory 
through chemical synthetic biology. 
Khalil et al. (2012) 
Synthetic  biology  is  helping  us  to  understand  how  organisms  behave  and  develop  through  the  forward 
engineering of molecular circuitry with well-understood genetic components. 
Kitney and Freemont (2012) 
The  accepted  definition  is  ‘‘synthetic  biology  aims  to  design  and  engineer  biologically  based  parts,  novel 
devices  and  systems  –  as  well  as  redesigning  existing,  natural  biological  systems’’.  Synthetic  Biology  is  the 
application 
of 
systematic 
design 
– 
using 
engineering 
principles 
In  simple  terms  synthetic  biology  aims  to  make  the  engineering  of  biological  systems  easier  and  more 
predictable. It also aims to allow accumulated knowledge on biological systems to be standardised to enable 
its utility in the synthetic biology design process. 
Lamsen and Atsumi (2012) 

---

Synthetic Genomics | Annex
 
 
114 
Synthetic biology provides the ability to piece together biological components from several different origins in 
order to redesign a natural or con- struct a novel pathway that the host uses to synthesize a valuable chemical. 
Malinova et al. (2012) 
Synthetic biology seems to be about the engineering of biology – about bottom up and top-down approaches, 
compromising  complexity  versus  stability  of  artificial  architectures,  relevant  in  biology.  Synthetic  biology 
accounts  for  heterogeneous  approaches  towards  minimal  and  even  artificial  life,  the  engineering  of 
biochemical  pathways  on  the  organismic  level,  the  modelling  of  molecular  processes  and  finally,  the 
combination  of  synthetic  with  nature-derived  materials  and  architectural  concepts,  such  as  a  cellular 
membrane. Still, synthetic biology is a discipline, which embraces interdisciplinary attempts in order to have a 
profound, scientific base to enable the re-design of nature and to compose architectures and processes with 
man-made  matter.  Generally  speaking  synthetic  biology  is  concerned  with  the  design  and  synthesis  of 
chemical structures such as enzymes, proteins, genetics circuits and cells, which do not exist in nature as such. 
One of the novel aims of synthetic biology is the redesign of well-known biological systems. In other words, 
the  hybrid  discipline  of  synthetic  biology  aims  at  understanding,  re-composition  as  well  as  constructing 
architectures of life. 
Nguyen et al. (2012) 
Synthetic biology, which aims to redesign biological systems for novel purposes and applications, enables the 
transfer  of  a  secondary  metabolite  biosynthetic  pathway  from  its  organism  of  origin  into  more  amenable 
heterologous hosts, where the compounds of interest or their precursors can be produced with desired titers. 
Oldham et al. (2012) 
Synthetic biology is a self-defining community of researchers from a variety of disciplines who are articulating 
themselves  around  the  term  synthetic  biology  and  related  terms  such  as  synthetic  genomics. 
For biologists, synthetic biology provides a means to understand natural biological systems. For chemists it is 
an extension of synthetic chemistry leading to the development of novel molecules and advancing research on 
the origin of life. For ‘re-writers’ synthetic biology offers the promise of optimising biological systems including 
‘refactoring’ existing genomes. Finally, for engineers biology is classified as a ‘technology’ that requires ‘‘the 
development  of  foundational  technologies  that  make  the  design  and  construction  of  engineered  biological 
systems easier’’. Synthetic biology is as an ‘‘inclusive theoretical and technical framework in which to approach 
biological systems with the  conceptual tools and language  imported from electrical circuitry and mechanical 
manufacturing’’ to pursue ‘‘the rational combination of standardised biological parts that are decoupled from 
their natural context’’. 
Osbourn et al. (2012) 
Synthetic  biology  has  been  variously  defined  as:  Synthetic  biology  aims  to  use  modular,  well-characterised 
biological  parts  to  predictably  construct  novel  genetic  devices  and  complex  cell-based  systems  following 
engineering  principles.  Synthetic  biology  is  the  design  and  engineering  of  biologically  based  parts,  novel 
devices  and  systems  as  well  as  the  redesign  of  existing,  natural  biological  systems.  It  has  the  potential  to 
deliver important new applications and improve existing industrial processes  – resulting in economic growth 
and job creation. 
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 

---

Synthetic Genomics | Annex
 
 
115 
organisms.  In  essence,  synthetic  biology  will  enable  the  design  of  ‘biological  systems’  in  a  rational  and 
systematic way. 
There is no agreed definition of synthetic biology, but it is best understood as the rational design of biological 
systems and living organisms using engineering principles. The concept of ‘synthetic biology space’ (Channon 
et al., 2008) provides a useful tool that enables the sometimes seemingly disparate components, hierarchies 
and approaches encompassed by synthetic biology to be placed into a common framework. 
 
Peccoud and Isalan (2012) 
Synthetic  biology  is  an  emerging  transdisciplinary  field  at  the  intersection  between  many  engineering  and 
scientific  disciplines  such  as  biology,  chemical  engineering,  chemistry,  electrical  engineering,  or  computer 
science. 
Ravasi et al. (2012) 
Synthetic  biology  is  an  emerging  discipline  that  aims  to  create  novel organisms  containing  designed  genetic 
circuits. These circuits are built from standard biological parts, known as BioBrick™s, that in most of the cases 
are provided by nature. 
Reiss T (2012) 
Since then the idea of synthetic biology has evolved mainly as an approach of analysing, understanding, and 
improving 
biological 
processes 
for 
the 
production 
of 
desirable 
goods 
and 
functions. 
What seems to make synthetic biology different from other current lines of biological research is the rigorous 
application  of  engineering  principles  (standardization,  abstraction  and  decoupling)  to  biological  research, 
which indeed offers a new way of doing research in life sciences. 
Rodrigo et al. (2012) 
One of the most challenging aims of synthetic biology is the de novo engineering of regulatory systems with 
desired behavior by taking advantage of quantitative models describing molecular interactions able to predict 
of the behavior of the systems. 
Roukos DH (2012) 
Synthetic biology investigates the systematic construction of biological systems with cells being built module 
by module based on a bottom-up engineering strategy. 
Voigt CA (2012) 
Synthetic biology aims to improve the process of genetic engineering. It looks to a future where the design of 
genetic systems and the idiosyncrasies of DNA are decoupled, and one can compose living systems by mixing-
and-matching  genetic  parts.  At  its  core,  this  will  require  a  multidisciplinary  approach  and  significant 
communities have sprouted in nearly all engineering disciplines, including biological, chemical, and electrical 
engineering  as  well  as  fields  in  basic  science  such  as  chemistry,  biology,  mathematics,  and  biophysics.  The 
objective of this journal is to provide a home for the research that, while spread across these fields, shares a 
common goal. 
Wang et al. (2012) 

---

Synthetic Genomics | Annex
 
 
116 
As an emerging discipline that tackles biotechnology from a rational-design approach, synthetic biology aims 
to redesign existing biological systems or create artificial life. 
2013 
Synthetic Genomics 
König et al. (2013) 
Synthetic  genomics,  on  the  other  hand  [as  compared  to  synthetic  biology,  expl.  note],  encompasses 
technologies for the generation of chemically-synthesized whole genomes or larger parts of genomes, allowing 
to simultaneously engineer a myriad of changes to the genetic material of organisms. 
Synthetic Biology 
König et al. (2013) 
Synthetic biology seeks  to model and construct  biological components, functions and organisms that  do not 
exist in nature or to redesign existing biological systems to perform new functions. 
Kondo et al. (2013) 
Synthetic  bioengineering  is  a  strategy  for  developing  useful  microbial  strains  with  innovative  biological 
functions.  Novel  functions  are  designed  and  synthesized  in  host  microbes  with  the  aid  of  advanced 
technologies  for  computer  simulations  of  cellular  processes  and  the  system-wide  manipulation  of  host 
genomes. 
Murtas (2013) 
Synthetic biology approaches are proposing model systems and providing experimental evidences that life can 
arise  as  spontaneous  chemical  self-assembly  process  where  the  ability  to  reproduce  itself  is  an  essential 
feature of the living system. 
Sagt (2013) 
Industrial  systems  metabolic  engineering  can  be  defined  as  the  combined  use  of  genome-wide  genomics, 
transcriptomics, proteomics, and metabolomics to modify strains or processes. 
Ausländer and Fussenegger (2013) 
Synthetic biology aims to standardize and expand the natural toolbox of biological building blocks to engineer 
novel synthetic networks in living systems. 
Esvelt and Wang (2013) 
Synthetic biology aims to reverse-engineer naturally evolved systems and to build new systems. 
Haslam et al. (2013) 
The  emerging  science  of  synthetic  biology  […]  seeks  to  build  a  bespoke  system  by  re-designing  metabolic 
pathways  from  scratch  to  create  entirely  new  biosynthetic  pathways  de  novo  within  cells,  thereby  enabling 
production of valuable molecules. 
Keret (2013) 

---

Synthetic Genomics | Annex
 
 
117 
Synthetic  biology  […]  focuses  on  the  engineering  of  genetic  molecular  machines  with  a  specific  predefined 
function.  Plainly  put,  the  newly  engineered  organism  functions  as  a  machine.  It  can  process  information, 
manufacture, heal and even diagnose. We just have to engineer it to do so. 
Lim et al. (2013) 
In  this  sense,  a  synthetic  biology  approach  is  in  many  ways  a  philosophical  extension  of  the  much  older 
biochemical  reconstitution  approach  - 
_ENREF_6
the  goal  is  to  minimize  and  simplify  the  system  to 
systematically explore the key requirements for function. 
Mampel et al. (2013) 
Synthetic biologists strive to build biological systems based solely on the essential parts that constitute a living 
system 
 

---

www.bmg.gv.at