Synthetic Biology Final Report

Synthetic Biology | Risk assessment and risk management 
 
63 
5.6.2
 
Transfer of novel genetic material/DNA to native host organisms 
Transfer of genetic material from SB organisms to native hosts may be facilitated either by vertical/sexual gene 
flow or by horizontal gene transfer (HGT). 
Vertical gene transfer 
Modified genes may be passed on to native populations of the same or closely related species via pollen or via 
imprudent  seed  exchange  as  happened  with  the  dispersal  of  transgenes  among  non-GM  maize  variants  in 
Mexico which has been facilitated by sloppy seed dispersal systems and grain markets (Rhodes 2010; Dyer et 
al. 2009). 
Horizontal gene transfer 
Horizontal  gene  transfer  between  microorganisms  is  mediated  by  transformation  (uptake  of  free  DNA), 
conjugation (transfer of DNA between bacteria via cell-cell contacts) and transduction (transfer of DNA via viral 
shuttles) (Lorenz and Wackernagel 1994). A major problem for assessing the risk arising from horizontal gene 
transfer  is  the  fact  that  comprehensive  knowledge  on  gene  transfer  frequencies  in  natural  habitats  and  the 
involved mechanisms is still lacking (Rocha 2013). Although it is well known that horizontal gene transfer is a 
hallmark  in  bacterial  evolution  bacterial  gene  transfer  is  also  involved  in  the  shaping  of  the  evolution  of 
eukaryotic  genomes  (Rocha  2013).  Concerning  transformation  the  exchange  of  modified  genetic  material  is 
also possible even if the initial carrier has died (Wright et al. 2013). 
Impact on biodiversity on the genetic level 
Horizontal gene transfer from SB organisms to native populations may lead to a change in biodiversity at the 
genetic  level.  A  vivid  example  for  adverse  effects  of  HGT  is  the  unrestricted  spread  of  antibiotic  resistance 
genes  in  clinical  and  natural  environments  leading  to  a  “genome  pollution”  of  native  bacterial  strains  with 
genetic elements previously not prevalent in the exposed communities (Wright et al. 2013; International Civil 
Society Working Group on Synthetic Biology (ICSWGSB) 2011). The dissemination of resistance determinants 
has a profound negative impact on morbidity and mortality of patients suffering from infectious diseases and 
puts  a  severe  financial  burden  on  public  health.  There  is  no  consensus  if  gene  transfer  itself  is  an  adverse 
effect  which  needs  to  be  prevented  (NGOs)  or  only  a  potential  mechanism  by  which  adverse  effects  could 
occur (EU regulatory system) (Marris and Jefferson 2013). 
5.6.3
 
Emergence of novel properties 
The application of synthetic biology techniques for the construction of new metabolic pathways and regulatory 
circuits will lead to radically different forms of life in the long run (Garfinkel and Friedman 2010; Mukunda et 
al.  2009).  These  novel  organisms  may  develop  unpredictable  new  properties.  It  is  disconcerting  that  the 
interaction  of  novel  circuits  with  endogenous  pathways  and  the  interaction  with  changing  environmental 
conditions  is  only  rudimentary  understood  (Pauwels  et  al.  2013).  There  is  only  limited  knowledge  available 
which allows the forward engineering of genetic devices containing a maximum of 20 genes or biological parts 
at best (Schmidt and de Lorenzo 2012). Trial and error will be a long-term companion of synthetic biology and 
unexpected traits will almost certainly arise (Schmidt and de Lorenzo 2012). That unforeseen results may pose 
a serious health hazard is exemplified by the production of a new mouse pox virus which intentionally should 
induce infertility but killed not only all of the exposed native mice but also 50% of a vaccinated  - and hence 
supposedly  immune  -  control  group  (Schmidt  and  de  Lorenzo  2012;  Jackson  et  al.  2001).  This  observation 
implies  that  there  are  clear  limits  of  predictive  knowledge  (Garrett  2011).  The  situation  will  deteriorate 
considering the combination of more and more elements from multiple and diverse sources of DNA (Fleming 
2006). 

---

Synthetic Biology | Risk assessment and risk management 
 
64 
It is important to note that at present no one comprehensively understands which risks completely synthetic 
organisms  will  pose  to  humans,  animals  and  the  environment,  what  information  is  needed  to  assess  these 
kinds of risks and who should be responsible for collecting the necessary data (Dana et al. 2012). 

---

Synthetic Biology | Discussion 
 
65 
6
 
Discussion 
This  report  discusses  the  state  of  the  art  of  synthetic  biology  (SB),  risk  assessment  issues,  and  aspects  of 
potential knowledge and regulatory gaps. Currently, there is still no satisfactory definition and delimitation of 
the  field,  which  results  in  a  number  of  uncertainties  as  to  which  control  measures  need  to  be  taken.  The 
recently published definition (SCENIHR et al. 2014) has deliberately been formulated in a very open way. It is 
questionable whether it is adequate to allow for the clear classification of relevant activities. This is important 
in  particular  concerning  offers  from  companies  as  in  this  context  the  practice  not  to  use  the  term  SB  was 
identified. 
Both genetic modification and SB are very closely interconnected, a fact that has also been acknowledged by 
SCENIHR et al. (2014). Consequently, their opinion explicitly states that SB activities would currently fall under 
the  relevant  legislation  for  genetically  modified  organisms  (i.e.  Directives  2001/18/EC  and  2009/41/EC,  and 
other relevant documents, e.g. EFSA guidance). SB organisms derived from well understood hosts and natural 
sequences intended for contained use are likely to be comparable to conventional GMOs (Rodemeyer 2009). 
Therefore,  the  current  regulatory  regimes  on  GMOs  appear  to  sufficiently  apply  to  near-term  results  of  SB 
techniques. On the other hand and beyond doubt there is huge potential emerging from SB. Measurability is 
one of the major factors accountable for the difficulties in delimitation, as is the speed at which new concepts 
emerge  (SCENIHR  et  al.  2014).  Future  considerations  have  to  take  into  account  that  in  SB  not  all  risks  are 
identifiable or measurable (Zhang et al. 2011). Thus, care should be taken to observe potential gaps that are 
not covered by the current regulatory framework. To achieve this, monitoring of developments in the field will 
be necessary, preferably on an international level. Adaption of the regulations is indicated if the complexity of 
SB  organisms  is  increasing,  novel  gene  sequences  are  more  profoundly  modified  and  a  greater  gene  pool 
and/or sequence variety is used for the construction of SB microorganisms (Pauwels et al. 2013; Rodemeyer 
2009). 
A  coordinated  review  of  any  new  developments  in  the  field  of  SB  has  to  be  carried  out  accounting  for 
consistency of regulatory requirements (WWICS 2014). Further, a gap analysis for the risk assessment and data 
collection  of  synthetic  organisms  may  identify  areas  for  further  research.  The  aim  of  such  an  analysis  is  to 
address  and  to  compare  up-to-date and  outdated  practices  and  strategies  in  GMO  risk  assessment  to make 
them consistent with current and future developments in SB. The purpose of the risk assessment process is to 
enable to select the most suitable controls or combination of controls that are proportionate to the risk. It is 
reasonable to assume  that concomitant with future developments in SB many gaps  are  to be identified and 
tackled  concerning  food  and  feed,  and  environmental  risk  assessment  of  synthetic  organisms.  These  are 
mainly  related to limited information from practical experiences  and knowledge  gaps in relation to the best 
experimental set-ups, and, in general, the low data availability. It will also be necessary to determine statistical 
approaches  to  satisfy  the  established  requirements  and  safety  levels.  Areas  of  continuous  refinement  and 
improvement  are  to  be  identified.  One  example  is  to  clearly  define  fundamental  specifications  on  the 
requirements needed to test for any potential pathogenicity of synthetic living materials concerning tests for 
carcinogenic,  developmental,  reproductive,  hormonal,  neural  dysfunctions,  etc.  As  a  possible  consequence, 
the need to adapt current risk assessment methodologies accordingly might emerge. 
Considering the capacity and potential of SB techniques it  is important to be prepared for demands on new 
risk assessment procedures and regulatory responses (International Civil Society Working Group on Synthetic 
Biology  (ICSWGSB)  2011).  In  particular,  a  debate  on  suitable  and  adequate  comparators  may  be  expected. 
Current GMO risk assessment relies on the assessment of the parental organism and/or suitable conventional 
comparators.  This  approach  is  inadequate  for  SB  organisms  which  have  no  analogue  in  the  natural  world 
(International  Civil  Society  Working  Group  on  Synthetic  Biology  (ICSWGSB)  2011).  To  be  prepared  for  such 

---