Synthetic Biology Final Report

Synthetic Biology | Risk assessment and risk management 
 
59 
Risk 
Group 
Biosafety Level 
Laboratory Type 
Laboratory Practices 
Safety Equipment 
1 
basic  
Biosafety  
Level 1 
basic teaching, 
research 
GMT 
none;  
open bench work 
 
2 
basic  
Biosafety  
Level 2 
primary  health 
services, 
diagnostic 
services, 
research  
GMT  plus  protective 
clothing,  biohazard 
sign 
open  bench  plus  BSC 
for potential aerosols 
 
3 
containment  
Biosafety  
Level 3 
Special 
diagnostic 
services, 
research 
 
as  Level  2  plus 
special 
clothing, 
controlled 
access, 
directional airflow 
BSC 
and/or 
other 
primary devices for all 
activities 
4 
maximum 
containment 
Biosafety  
Level 4 
dangerous 
pathogen units 
as Level 3 plus airlock 
entry,  shower  exit, 
special 
waste 
disposal 
class 
III 
BSC, 
or 
positive  pressure  suits 
in  conjunction  with 
class  II  BSCs,  double-
ended 
autoclave 
(through  the  wall), 
filtered air 
Table 6: Relation of risk groups to biosafety levels, practices and equipment (NIH 2013) 
GMT….good microbiological techniques 
BSC….biosafety cabinet 
 
It  is  important  to  realise  that  the  risk  group  classification  scheme  is  to  be  used  only  for  laboratory  work. 
However, this classification provides a convenient basis and starting point for a comprehensive risk assessment 
of BioBrick™ devices and viable constructs. 
The assignment of an agent to a risk group is based upon a thorough risk assessment process considering the 
following issues (WHO 2004): 
1)
 
Pathogenicity of the agent and infectious dose 
2)
 
Potential outcome of exposure 
3)
 
Natural route of infection 
4)
 
Other routes of infection, resulting from laboratory manipulations (parenteral, airborne, ingestion) 
5)
 
Stability of the agent in the environment 
6)
 
Concentration of the agent and volume of concentrated material to be manipulated 
7)
 
Presence of a suitable host (human or animal) 
8)
 
Information available from animal studies and reports of laboratory-acquired infections or clinical 
reports 
9)
 
Laboratory activity planned (sonication, aerosolisation, centrifugation, etc.) 
10)
 
Any genetic manipulation of the organism that may extend the host range of the agent or alter the 
agent’s sensitivity to known, effective treatment regimens 
11)
 
Local availability of effective prophylaxis or therapeutic interventions 
The assignment of biosafety levels takes the following issues into account: 

 
Organism (pathogenicity of the potential host/agent) 

 
Facilities available 

 
Equipment 

---

Synthetic Biology | Risk assessment and risk management 
 
60 

 
Practices and procedures to conduct work safely in the laboratory 
Beginning  in  2008,  iGEM  acknowledged  these  issues  and  started  to  request mandatorily  the  answering  of  a 
questionnaire  relating  to  the  biosafety  aspects  of  the  submitted  projects  from  the  competitors  (Guan  et  al. 
2013). Risk assessment of BioBrick™ constructs under the auspices of iGEM is predominantly based upon self-
evaluation by the  involved  researchers in combination with incentives  to involve  local biosafety committees 
and open to scrutiny by the public.  
On the level of BioBrick™ basic and composite parts risk assessment is quite straight forward: A combination of 
a strong constitutive viral promoter with a known pathogenicity determinant (e.g. adhesion-, invasion factors, 
toxins, insufficiently characterised proteins etc…)  intended to be  applied in a human or animal environment 
has to be treated in a different way compared to a system relying on an inducible promoter assembled to a 
well-known housekeeping gene (e.g. glycerinaldehyd-3-phosphat-dehydrogenase, ribosomal proteins etc.). 
All items deposited in the Registry Repository maintained by iGEM are accompanied by a detailed description 
of  their  function  and  origin.  This  information  is  open  for  public  and  scientific  scrutiny.  The  potential  risk 
mediated by a single part may, therefore, be readily assessed before the constructs are actually synthesised, 
because usually sufficient information concerning biosafety aspects is available. This open source/open access 
strategy followed by the iGEM consortium allows streamlining of the risk assessment process and facilitates a 
first estimation of the potential risk mediated by the designed construct. On the level of BioBrick™ devices risk 
assessment relevant information obtained for basic and composite parts provide a valuable basis and starting 
point for a full scale risk assessment procedure for a product which is intended for deliberate release or for 
commercial purposes as the cellular context comes into play. 
A “self-evaluation” of iGEM projects in the years 2008 - 2011 by the executing researchers revealed four major 
categories of risk they conceived concerning their application of principles for Synthetic Biology  (Guan et al. 
2013): 

 
No risk: The project posed no risk at all 

 
Minor  biosafety  problems:  There  were  minor  problems  to  be  expected  which  the  researchers  were 
confident to solve 

 
Major  biosafety  problems:  Difficult  problems  were  to  be  expected  during  the  course  of  the  project 
which were assumed to be difficult to solve 

 
Major biosafety problems: no solution provided  
The most common observed safety issues were related to: 

 
Known  toxicity  of  chemicals  used  during  the  execution  of  the  project  (e.g.  ethidium  bromide,  IPTG, 
phenol, etc.) 

 
Hazardous physical agents (e.g. ultraviolet light) 

 
Biological waste disposal 

 
Environmental pollution 
As  insurmountable  safety  related  problems  i)  horizontal  gene  transfer,  ii)  unpredictable  mutations  in  the 
designed construct in the living cell, iii) unknown and/or pleiotropic effects of the  bacterial modification, iv) 
misuse of the product and v) antibiotic resistance were identified. 
In  order  to  mitigate  the  risk  of  biosynthetic  products  appropriate  biosafety  laboratory  trainings  and 
cooperation  with  local/institutional  biosafety  committees  who  oversaw  the  biosafety  laboratory  rules  were 
proposed. 
Biosafety questions in the area of BioBricks™ which have to be primarily considered are: 

---