Synthetic Biology Final Report

Synthetic Biology | Definition and delimitation 
 
16 
2.2.4
 
Is it synthetic biology or still conventional biotechnology? 
Many approaches are in the  interphase between conventional biotechnology practice  and synthetic  biology. 
According  to  Nielsen  and  Keasling  (2011)  the  difference  may  be  described  as  a  “platform  cell  factory”  that 
would not naturally produce any of the chemicals, and into which a synthetic (rationally designed or synthetic) 
pathway is transferred (synthetic biology). Montague et al. (2012) define and distinct synthetic genomics from 
genetic engineering based on “engineering and manipulation of genetic material of an organism on the scale 
of  the  whole  genome  either  in  terms  of  number  of  base-pairs,  or  number  of  loci  engineered”  as  the  major 
feature. In addition, even if the scope is engineering an individual biosynthetic pathway, the “pathway must 
function in a biochemical and regulatory context with many inputs and outputs” (Montague et al. 2012).  
Key  components  for  the  construction  of  non-natural  pathways  are  synthetic  DNA,  advanced  molecular 
switches  for  controlling  the  state  of  the  metabolism,  and  protein  and  pathway  engineering  provided  by 
synthetic  biology  (Stephanopoulos  2012).  By  applying  these  components  enzyme  activity  and  specificity  is 
improved, cofactors and currency metabolites are balanced, yields are increased and effective direct product 
synthesis is achieved. Although a pathway might be coded for by only a few genes, changes to the genome, 
e.g.  by  increasing  the  yield,  highlights  the  difference  between  synthetic  biology  and  genetic  engineering 
(Montague et al. 2012). 
2.3
 
Some limits to “bio-part engineering” 
The  understanding  of  biology  will  continue  to  be  for  a  long  time  the  limiting  component  in  any  attempt  to 
reconstruct  or  emulate  biological  systems,  in  whole  or  in  part  (Stephanopoulos  2012).  Understanding  the 
context  of  metabolic  networks  and  its  correlation  with  metabolite  concentrations  is  one  of  the  major 
challenges  to  which  meta-omics  studies  contribute  significantly  (Boyle  and  Silver  2012).  However,  the 
complexity of living cells to date surpasses the complexity of human-made devices. Due to limited background 
knowledge complete forward engineering of entire cells is not yet possible (Nielsen and Keasling 2011). In the 
long term plant metabolism could be  engineered based on synthetic strategies to produce  compounds with 
novel chemical properties (Zurbriggen et al. 2012). However, to date the engineering of biosynthesis pathways 
is tedious due to its complexity and consequently limited knowledge, in particular on plant genes. Successfully 
assembled biological systems are still of low actual complexity and typically contain less than ten promoters 
(Purnick and Weiss 2009) or have limited capacity concerning assembly of genes and their maximum size (Xu 
et  al.  2012).  Furthermore,  important  synthetic  biology  tools  are  currently  only  demonstrated  within 
Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae, limiting these tools to a narrow set of organisms (Montague et 
al. 2012). Most projects are being realised in laboratory cultures of microorganisms.  
The result of the engineering process when aiming at the production of desirable compounds has to be high 
yield and high titres (Nielsen and Keasling 2011). This is not an easy task, as inserting a new synthetic path may 
lead to a sudden drain of a precursor metabolite, from which a number of metabolites is produced. Thus, it 
may  be  expected  that  the  initial  yield  and  productivity  after  reconstruction  is  low,  and  the  flux  has  to  be 
redirected toward the desired product. 
The production of plant-derived natural products is challenging due to the complexity of the compounds but 
also  to  the  complexity  of  their  native  production  hosts  (Li  and  Pfeifer  2014).  Synthetic  biology  offers  the 
possibility  to  overcome  these  hurdles  by  designing  biosynthesis  pathways  in  heterologous  host.  The  main 
challenges if a pathway is adapted to be expressed in a heterologous host (e.g. a plant biosynthetic pathway in 
microbes) are the necessity to have genetic sequence information, proper design of sequence information for 
active gene expression, biosynthesis and improved production metrics (Li and Pfeifer 2014). These limitations 
are due to the fact that the majority of tools and techniques cannot be transferred between hosts and that the 
functioning  of  parts  and  modules  depends  on  the  cellular  context.  For  example  the  abundance  of  RNA 

---

Synthetic Biology | Definition and delimitation 
 
17 
polymerase  and  ribosomes  and  even  promoter  repression/activation  depend  on  cellular  growth  rates. 
Therefore genetic systems do not work predictably across strains despite standardisation efforts (Arpino et al. 
2013). 
Synthetic biologists generally have to deal with intricate biological phenomena, such as cross-talk, cell death, 
epigenetics,  mutations,  evolution  and  noise  (Purnick  and  Weiss  2009).  Altogether,  our  ability  to  construct 
genetic systems from basic DNA parts is limited by our incomplete understanding of regulatory mechanisms in 
the cell (Yadav et al. 2012). 
The  major  challenges  to  be  solved  are  robustness  and  noise  suppression  (Arkin  and  Fletcher  2006).  There 
might be different exogenous noise sources under different environmental conditions. Thus, the cell has to be 
designed in a way to minimise or even exploit these effects. 

---