ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ ( SynBio ) เป็นสาขาวิทยาศาสตร์ สหวิทยาการ ที่ประยุกต์ใช้หลักการทางวิศวกรรมเพื่อพัฒนาชิ้นส่วน อุปกรณ์ และระบบชีวภาพใหม่ หรือเพื่อออกแบบระบบที่มีอยู่แล้วในธรรมชาติขึ้นใหม่^{[ 1 ]}สาขานี้ครอบคลุมวิธีการที่หลากหลายจากหลากหลายสาขา เช่นชีวเคมีเทคโนโลยีชีวภาพวัสดุชีวภาพ วิทยาศาสตร์ / วิศวกรรมวัสดุวิศวกรรมพันธุกรรม ชีววิทยาระดับโมเลกุลวิศวกรรมระดับโมเลกุล ชีววิทยาระบบวิทยาศาสตร์เยื่อหุ้มเซลล์ ชีวฟิสิกส์ วิศวกรรม เคมีและชีวภาพวิศวกรรมไฟฟ้า และคอมพิวเตอร์วิศวกรรมควบคุมและชีววิทยาเชิงวิวัฒนาการ

ซึ่งรวมถึงการออกแบบและสร้างโมดูลชีวภาพระบบชีวภาพและเครื่องจักรชีวภาพหรือการออกแบบระบบชีวภาพที่มีอยู่ใหม่เพื่อวัตถุประสงค์ที่เป็นประโยชน์^{[ 2 ]}

นอกจากนี้ ยังเป็นสาขาวิทยาศาสตร์ที่มุ่งเน้นความสามารถใหม่ๆ ของวิศวกรรมในสิ่งมีชีวิตที่มีอยู่เพื่อออกแบบใหม่ให้มีประโยชน์^{[ 3 ]}

เพื่อให้ได้ระบบที่คาดการณ์ได้และแข็งแกร่งพร้อมฟังก์ชันการทำงานใหม่ที่ยังไม่มีอยู่ในธรรมชาติ จำเป็นต้องนำแนวคิดการออกแบบระบบทางวิศวกรรมมาใช้กับระบบชีวภาพด้วย ตามที่คณะกรรมาธิการยุโรป ระบุไว้ ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับเครื่องประกอบโมเลกุลโดยอิงจากระบบชีวโมเลกุล เช่นไรโบโซม^{[ 4 ]}

1910:การใช้คำว่าชีววิทยาสังเคราะห์ เป็นครั้งแรก ในสิ่งพิมพ์ของStéphane Leduc Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées ^{นอกจากนี้}เขายังกล่าวถึงคำนี้ในสิ่งพิมพ์อื่นLa Biologie Synthétiqueในปี^{1912 [ 6 ]}

พ.ศ. 2487 : นักวิทยาศาสตร์ชาวแคนาดา-อเมริกันOswald Averyแสดงให้เห็นว่าDNAเป็นวัสดุที่ ใช้สร้าง ยีนและโครโมโซมซึ่งกลายเป็นรากฐานสำคัญในการวิจัยทางพันธุกรรมทั้งหมดในเวลาต่อมา^{[ 7 ]}

ปี 1953 : ฟรานซิส คริกและเจมส์ วัตสัน ตีพิมพ์โครงสร้างของดีเอ็นเอในวารสารเนเจอร์

1961 : Jacob และ Monod ตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับการควบคุมเซลล์โดยเครือข่ายโมเลกุลจากการศึกษาlac operon ในE. coliและจินตนาการถึงความสามารถในการประกอบระบบใหม่จากส่วนประกอบโมเลกุล^{[ 8 ]}

1973 : การโคลนนิ่งโมเลกุลและการขยายดีเอ็นเอในพลาสมิดครั้งแรกได้รับการตีพิมพ์ในPNASโดย Cohen, Boyer และคณะ ซึ่งถือเป็นจุดเริ่มต้นของชีววิทยาเชิงสังเคราะห์^{[ 9 ]}

1978 : อาร์เบอร์ , นาธานส์และสมิธได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์จากการค้นพบเอนไซม์ตัดจำเพาะส่งผลให้ซิบาลสกีเขียนบทความแสดงความคิดเห็นในวารสารGene :

งานวิจัยเกี่ยวกับเอนไซม์ตัดจำกัดนิวคลีเอสไม่เพียงแต่ช่วยให้เราสร้างโมเลกุล DNA รีคอมบิแนนท์และวิเคราะห์ยีนแต่ละตัวได้อย่างง่ายดายเท่านั้น แต่ยังนำเราไปสู่ยุคใหม่ของชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ ซึ่งไม่เพียงแต่มีการอธิบายและวิเคราะห์ยีนที่มีอยู่เท่านั้น แต่ยังสามารถสร้างและประเมินการจัดเรียงยีนใหม่ได้อีกด้วย^{[ 10 ]}

พ.ศ. 2531 : การขยายดีเอ็นเอครั้งแรกโดยปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรส (PCR) โดยใช้พอลิเมอเรสดีเอ็นเอที่ทนความร้อนได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Scienceโดย Mullis และคณะ^{[ 11 ]}วิธีนี้ไม่จำเป็นต้องเติมพอลิเมอเรสดีเอ็นเอใหม่หลังจากแต่ละรอบของ PCR จึงช่วยลดความซับซ้อนของการกลายพันธุ์และการประกอบดีเอ็นเอได้อย่างมาก

2000 : บทความสองฉบับในNatureรายงานวงจรชีวภาพสังเคราะห์สวิตช์สลับทางพันธุกรรม และนาฬิกาชีวภาพ โดยการรวมยีนภายในเซลล์E. coli ^{[ 12 ] [ 13 ]}

2003 : พลาส มิดไบโอบริ คซึ่งเป็น ส่วนประกอบดีเอ็นเอมาตรฐานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดถูกคิดค้นโดยทอม ไนท์ [ ^{14 ] ส่วนประกอบ}เหล่านี้จะกลายเป็นส่วนสำคัญของ การแข่งขัน เครื่องจักรวิศวกรรมพันธุกรรมนานาชาติ (iGEM) ที่ก่อตั้งขึ้นที่MITในปีถัดมา

2003 : นักวิจัยสร้างเส้นทางสารตั้งต้นอาร์เทมิซินินในE. coli ^{[ 15 ]}

ปี 2004 : การประชุมนานาชาติครั้งแรกด้านชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ หรือ Synthetic Biology 1.0 (SB1.0) จัดขึ้นที่ MIT

2005 : นักวิจัยพัฒนาวงจรตรวจจับแสงในE. coli [ ^{16 ] อีก}กลุ่มหนึ่งออกแบบวงจรที่สามารถสร้างรูปแบบหลายเซลล์ได้^{[ 17 ]}

2006 : นักวิจัยสร้างวงจรสังเคราะห์ที่ส่งเสริมการบุกรุกของแบคทีเรียในเซลล์เนื้องอก^{[ 18 ]}

2010 : นักวิจัยเผยแพร่จีโนมแบคทีเรียสังเคราะห์ตัวแรก ใน วารสาร Science ซึ่งเรียกว่า M. mycoides JCVI-syn1.0 ^{[ 19 ] [ 20 ]}จีโนมนี้สร้างขึ้นจาก DNA ที่สังเคราะห์ทางเคมีโดยใช้การรวมตัวใหม่ของยีสต์

2011 : แขนโครโมโซมสังเคราะห์ที่มีฟังก์ชันการทำงานถูกสร้างขึ้นในยีสต์^{[ 21 ]}

2012 : ห้องปฏิบัติการของ CharpentierและDoudnaเผยแพร่ในScience เกี่ยวกับ การเขียนโปรแกรม ภูมิคุ้มกันแบคทีเรีย CRISPR-Cas9เพื่อกำหนดเป้าหมายการตัด DNA ^{[ 22 ]}เทคโนโลยีนี้ทำให้การแก้ไขยีนยูคาริโอตง่ายขึ้นและขยายขอบเขตมากขึ้น

2019 : นักวิทยาศาสตร์ที่ETH Zurichรายงานการสร้างจีโนมแบคทีเรีย ตัวแรก ชื่อCaulobacter ethensis-2.0ซึ่งสร้างขึ้นโดยคอมพิวเตอร์ทั้งหมด แม้ว่ารูปแบบที่ใช้งานได้จริงของC. ethensis-2.0 ที่เกี่ยวข้อง จะยังไม่มีอยู่ก็ตาม^{[ 23 ] [ 24 ]}

2019 : นักวิจัยรายงานการผลิต สิ่ง มีชีวิตสังเคราะห์ รูปแบบใหม่ (อาจเป็นสิ่งมีชีวิตเทียม ) ที่สามารถดำรง ชีวิต ได้ ซึ่งเป็นสายพันธุ์หนึ่งของแบคทีเรียEscherichia coliโดยการลดจำนวนโคดอน ตามธรรมชาติ 64 โคดอน ในจีโนมของ แบคทีเรีย ให้เหลือ 59 โคดอนแทน เพื่อเข้ารหัสกรดอะมิโน 20 ชนิด ^{[ 25 ] [ 26 ]}

2020 : นักวิทยาศาสตร์สร้างซีโนบอต ตัวแรก ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ที่ตั้งโปรแกรมได้ซึ่งได้มาจากเซลล์กบและออกแบบโดย AI ^{[ 27 ]}เดมิส ฮัสซาบิสและจอห์น เอ็ม. จัมเปอร์นำเสนอแบบจำลอง AI ที่เรียกว่าAlphaFold 2 ด้วยความช่วยเหลือของแบบจำลองนี้ พวกเขาสามารถทำนายโครงสร้างของโปรตีนเกือบทั้งหมด 200 ล้านโปรตีนที่นักวิจัยระบุได้ นับตั้งแต่การค้นพบครั้งสำคัญ AlphaFold2 ได้ถูกใช้งานโดยผู้คนมากกว่าสองล้านคนจาก 190 ประเทศ ในบรรดาการใช้งานทางวิทยาศาสตร์มากมาย นักวิจัยสามารถเข้าใจความต้านทานยาปฏิชีวนะได้ดีขึ้นและสร้างภาพของเอนไซม์ที่สามารถย่อยสลายพลาสติกได้^{[ 28 ] [ 29 ]}

2021 : นักวิทยาศาสตร์รายงานว่าซีโนบอทสามารถจำลองตัวเองได้โดยการรวบรวมเซลล์ที่กระจัดกระจายอยู่ในสิ่งแวดล้อมแล้วสร้างซีโนบอทตัวใหม่^{[ 30 ]}

2023 : ความก้าวหน้าในการบำบัดด้วย RNA รวมถึงวัคซีน วงจร RNA และการดัดแปลงพันธุกรรม ได้ปรับปรุงความปลอดภัยและประสิทธิภาพในชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ การบำบัดด้วย RNA ถือว่าปลอดภัยกว่าระบบที่ใช้ DNA เนื่องจากไม่รวมเข้ากับจีโนมของโฮสต์ ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมที่ไม่พึงประสงค์ นอกจากนี้ ระบบที่ใช้ RNA ซึ่งสร้างขึ้นจากอุปกรณ์และวงจร RNA ทำงานได้เร็วกว่าระบบที่ใช้ DNA เนื่องจากไม่จำเป็นต้องมีการถอดรหัส ความก้าวหน้าเหล่านี้ได้ขยายขอบเขตการใช้งานที่เป็นไปได้ของ RNA ในการบำบัดด้วยยีน การแพทย์เฉพาะบุคคล และการพัฒนาวัคซีน^{[ 31 ]}

ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์เป็นสาขาที่มีขอบเขตขยายกว้างขึ้นในแง่ของการบูรณาการระบบ สิ่งมีชีวิตที่ได้รับการออกแบบ และการค้นพบเชิงปฏิบัติ^{[ 1 ]}

วิศวกรมองว่าชีววิทยาเป็นเทคโนโลยี (กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ระบบที่กำหนดนั้นรวมถึงเทคโนโลยีชีวภาพหรือวิศวกรรมชีวภาพ ) ^{[ 32 ]}ชีววิทยาสังเคราะห์รวมถึงการกำหนดนิยามใหม่และการขยายขอบเขตของเทคโนโลยีชีวภาพอย่างกว้างขวาง โดยมีเป้าหมายสูงสุดคือการออกแบบและสร้างระบบชีวภาพที่มีชีวิตที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อประมวลผลข้อมูล จัดการสารเคมี ผลิตวัสดุและโครงสร้าง ผลิตพลังงาน จัดหาอาหาร และบำรุงรักษาและเสริมสร้างสุขภาพของมนุษย์ ตลอดจนพัฒนาความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับระบบชีวภาพและสิ่งแวดล้อมของเรา^{[ 33 ]}

นักวิจัยและบริษัทที่ทำงานด้านชีววิทยาเชิงสังเคราะห์กำลังใช้พลังของธรรมชาติเพื่อแก้ไขปัญหาในด้านการเกษตร การผลิต และการแพทย์^{[ 3 ]}

เนื่องจาก ความสามารถ ด้านวิศวกรรมพันธุกรรม ที่ทรงพลังยิ่งขึ้น และต้นทุนการสังเคราะห์และการจัดลำดับ DNA ที่ลดลง สาขาชีววิทยาเชิงสังเคราะห์จึงเติบโตอย่างรวดเร็ว ในปี 2559 มีบริษัทมากกว่า 350 แห่งใน 40 ประเทศที่ดำเนินงานด้านการประยุกต์ใช้ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์อย่างแข็งขัน บริษัทเหล่านี้ทั้งหมดมีมูลค่าสุทธิโดยประมาณ 3.9 พันล้านดอลลาร์ในตลาดโลก^{[ 34 ]}ปัจจุบันชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ยังไม่มีคำจำกัดความที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไป นี่คือตัวอย่างบางส่วน:

เป็นวิทยาศาสตร์ด้านวิศวกรรมพันธุกรรมและกายภาพที่เกิดขึ้นใหม่เพื่อสร้างสิ่งมีชีวิตรูปแบบใหม่ (และดังนั้นจึงเป็นสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์) เพื่อพัฒนาสิ่งมีชีวิตที่มีลักษณะใหม่หรือลักษณะที่ได้รับการปรับปรุง สาขาวิชาที่เกิดขึ้นใหม่นี้ได้รวมความรู้และเทคนิคจากชีววิทยา วิศวกรรม และสาขาวิชาที่เกี่ยวข้องเข้าด้วยกันเพื่อออกแบบ DNA ที่สังเคราะห์ทางเคมี^{[ 35 ] [ 36 ]}

วิศวกรรมชีวโมเลกุลรวมถึงแนวทางที่มุ่งสร้างชุดเครื่องมือของหน่วยการทำงานที่สามารถนำมาใช้เพื่อสร้างฟังก์ชันทางเทคโนโลยีใหม่ๆ ในเซลล์สิ่งมีชีวิตวิศวกรรมพันธุกรรมรวมถึงแนวทางในการสร้างโครโมโซมสังเคราะห์หรือสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก เช่นไมโคพลาสมา ลาโบราโทเรียม

การออกแบบชีวโมเลกุลหมายถึงแนวคิดทั่วไปของการออกแบบ de novo และการผสมผสานส่วนประกอบชีวโมเลกุลแบบเพิ่มเข้าไป วิธีการเหล่านี้แต่ละวิธีมีภารกิจที่คล้ายคลึงกันคือ การพัฒนาเอนทิตีสังเคราะห์ที่มีความซับซ้อนมากขึ้นโดยการจัดการส่วนที่เรียบง่ายกว่าในระดับก่อนหน้าอย่างสร้างสรรค์^{[ 37 ] [ 38 ]}การเพิ่มประสิทธิภาพเส้นทางภายนอกเหล่านี้ในระบบที่ไม่เป็นธรรมชาติต้องใช้การปรับแต่งอย่างละเอียดซ้ำๆ ของส่วนประกอบชีวโมเลกุลแต่ละส่วนเพื่อเลือกความเข้มข้นสูงสุดของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ^{[ 39 ]}

ในทางกลับกัน "นักเขียนใหม่" คือนักชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ที่สนใจทดสอบความไม่สามารถลดทอนได้ของระบบชีวภาพ เนื่องจากความซับซ้อนของระบบชีวภาพตามธรรมชาติ การสร้างระบบธรรมชาติที่สนใจขึ้นใหม่ตั้งแต่ต้นจึงง่ายกว่า เพื่อให้ได้ตัวแทนที่ได้รับการออกแบบซึ่งเข้าใจ ควบคุม และจัดการได้ง่ายกว่า^{[ 40 ]}นักเขียนใหม่ได้รับแรงบันดาลใจจากการปรับโครงสร้างใหม่ซึ่งเป็นกระบวนการที่บางครั้งใช้เพื่อปรับปรุงซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์

วิศวกรรมชีวภาพ จีโนมิกส์สังเคราะห์ ชีววิทยาสังเคราะห์โปรโตเซลล์ ชีววิทยาโมเลกุลที่ไม่ธรรมดา และเทคนิคอินซิลิโก เป็น 5 หมวดหมู่ของชีววิทยาสังเคราะห์^{[ 41 ]}

จำเป็นต้องทบทวนความแตกต่างและความคล้ายคลึงกันระหว่างหมวดหมู่ของชีววิทยาเชิงสังเคราะห์เพื่อการประเมินทางสังคมและจริยธรรม เพื่อแยกแยะระหว่างประเด็นที่ส่งผลกระทบต่อสาขาทั้งหมดและประเด็นเฉพาะเจาะจง^{[ 41 ]}

สาขาย่อยของวิศวกรรมชีวภาพมุ่งเน้นไปที่การสร้างเส้นทางการเผาผลาญและการควบคุมแบบใหม่ และปัจจุบันเป็นสาขาที่ดึงดูดความสนใจของนักวิจัยและเงินทุนส่วนใหญ่ โดยมีแรงจูงใจหลักมาจากความปรารถนาที่จะสร้างเทคโนโลยีชีวภาพให้เป็นสาขาวิชาวิศวกรรมที่ถูกต้อง เมื่อกล่าวถึงสาขาชีววิทยาเชิงสังเคราะห์นี้ คำว่า "วิศวกรรมชีวภาพ" ไม่ควรสับสนกับ "วิศวกรรมพันธุกรรมแบบดั้งเดิม" ซึ่งเกี่ยวข้องกับการนำทรานส์ยีนเดี่ยวเข้าไปในสิ่งมีชีวิตที่ต้องการ วิศวกรชีวภาพได้ปรับชีววิทยาเชิงสังเคราะห์เพื่อให้มุมมองแบบบูรณาการมากขึ้นเกี่ยวกับวิธีการเปลี่ยนแปลงสิ่งมีชีวิตหรือระบบการเผาผลาญ^{[ 41 ]}

ตัวอย่างทั่วไปของการดัดแปลงพันธุกรรมยีนเดี่ยวคือการแทรกยีนอินซูลินของมนุษย์เข้าไปในแบคทีเรียเพื่อสร้างโปรตีนทรานส์เจนิก การสร้างเส้นทางการส่งสัญญาณใหม่ทั้งหมดซึ่งประกอบด้วยยีนและส่วนประกอบควบคุมจำนวนมาก (เช่น วงจรออสซิลเลเตอร์เพื่อเริ่มต้นการผลิตโปรตีนเรืองแสงสีเขียว (GFP) เป็นระยะในเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม) เรียกว่าวิศวกรรมชีวภาพซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของชีววิทยาสังเคราะห์^{[ 41 ]}

ด้วยการใช้โมดูลการเผาผลาญและการควบคุมที่เรียบง่ายและเป็นนามธรรม รวมถึงส่วนประกอบมาตรฐานอื่นๆ ที่สามารถนำมาผสมผสานกันได้อย่างอิสระเพื่อสร้างเส้นทางหรือสิ่งมีชีวิตใหม่ๆ วิศวกรรมชีวภาพจึงมุ่งหวังที่จะสร้างระบบชีวภาพที่เป็นนวัตกรรม นอกจากจะสร้างโอกาสอันไม่มีที่สิ้นสุดสำหรับการใช้งานใหม่ๆ แล้ว คาดว่ากลยุทธ์นี้จะทำให้วิศวกรรมชีวภาพสามารถคาดการณ์และควบคุมได้ง่ายกว่าเทคโนโลยีชีวภาพแบบดั้งเดิม^{[ 41 ]}

การสร้างสัตว์ที่มีจีโนมที่ผลิตขึ้นทางเคมี (ขั้นต่ำ) เป็นอีกแง่มุมหนึ่งของชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ที่เน้นโดยจีโนมิกส์เชิงสังเคราะห์ สาขาชีววิทยาเชิงสังเคราะห์นี้เกิดขึ้นได้ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในเทคโนโลยีการสังเคราะห์ DNA ซึ่งทำให้สามารถผลิตโมเลกุล DNA ที่มีเบสคู่หลายพันคู่ได้ในราคาที่สมเหตุสมผล เป้าหมายคือการรวมโมเลกุลเหล่านี้เข้าด้วยกันเป็นจีโนมที่สมบูรณ์และปลูกถ่ายเข้าไปในเซลล์ที่มีชีวิต แทนที่จีโนมของเซลล์เจ้าบ้านและตั้งโปรแกรมการเผาผลาญใหม่เพื่อให้ทำงานที่แตกต่างกัน^{[ 41 ]}

นักวิทยาศาสตร์ได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของแนวทางนี้ก่อนหน้านี้โดยการสร้างไวรัสที่ก่อให้เกิดการติดเชื้อโดยการสังเคราะห์จีโนมของไวรัสหลายชนิด ความก้าวหน้าครั้งสำคัญเหล่านี้ในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีได้ก่อให้เกิดความกังวลของสาธารณชนในเบื้องต้นเกี่ยวกับความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีนี้^{[ 41 ]}

จีโนมที่เรียบง่ายอาจทำหน้าที่เป็น "จีโนมโครงสร้างพื้นฐาน" ที่สามารถขยายได้อย่างรวดเร็วโดยการรวมยีนที่สร้างขึ้นสำหรับงานเฉพาะ สิ่งมีชีวิตโครงสร้างพื้นฐานดังกล่าวจะเหมาะสมกว่าสำหรับการแทรกฟังก์ชันใหม่มากกว่าสิ่งมีชีวิตตามธรรมชาติ เนื่องจากจะมีเส้นทางชีวภาพน้อยกว่าที่อาจขัดแย้งกับฟังก์ชันใหม่ นอกเหนือจากการมีตำแหน่งการแทรกที่เฉพาะเจาะจง จีโนมิกส์สังเคราะห์มุ่งมั่นที่จะสร้างสิ่งมีชีวิตที่มี "สถาปัตยกรรม" ใหม่ คล้ายกับวิธีการทางวิศวกรรมชีวภาพ โดยใช้มุมมองแบบบูรณาการหรือแบบองค์รวมของสิ่งมีชีวิต ในกรณีนี้ วัตถุประสงค์คือการสร้างจีโนมโครงสร้างพื้นฐานโดยอิงจากยีนที่จำเป็นและลำดับดีเอ็นเออื่นๆ ที่ต้องการ แทนที่จะเป็นการออกแบบเส้นทางการเผาผลาญหรือการควบคุมโดยอิงจากเกณฑ์นามธรรม^{[ 41 ]}

การสร้างเซลล์สังเคราะห์ในหลอดทดลองเป็นสาขาหนึ่งของชีววิทยาสังเคราะห์ที่เรียกว่าโปรโตเซลล์ เราสามารถใช้ถุงไขมัน (lipid vesicles) ซึ่งมีส่วนประกอบที่จำเป็นทั้งหมดเพื่อทำหน้าที่เป็นระบบที่สมบูรณ์ ในการสร้างเซลล์เทียมเหล่านี้ ในที่สุด เซลล์สังเคราะห์เหล่านี้ควรมีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดของการมีชีวิต กล่าวคือ มีความสามารถในการจำลองตัวเอง บำรุงรักษาตัวเอง และวิวัฒนาการ เทคนิคโปรโตเซลล์มีเป้าหมายสุดท้ายเช่นนี้ อย่างไรก็ตาม ยังมีขั้นตอนกลางอื่นๆ ที่ยังไม่ตรงตามเกณฑ์ทั้งหมดของเซลล์ที่มีชีวิต เพื่อให้สามารถทำหน้าที่เฉพาะได้ ถุงไขมันเหล่านี้จึงบรรจุสารสกัดจากเซลล์ หรือชุดของโมเลกุลชีวภาพขนาดใหญ่และโครงสร้างที่ซับซ้อน เช่น เอนไซม์ กรดนิวคลีอิก หรือไรโบโซม ตัวอย่างเช่น ไลโปโซมอาจดำเนินการปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรสเฉพาะ หรือสังเคราะห์โปรตีนเฉพาะอย่างได้^{[ 41 ]}นวัตกรรมในชีววิทยาเชิงสังเคราะห์นำไปสู่การพัฒนาโครงสร้างคล้ายออร์แกเนลล์โดยใช้สารควบแน่นชีวโมเลกุลที่แยกเฟสเพื่อแบ่งส่วนกระบวนการของเซลล์ใน Escherichia coli เช่น TEARS ที่ใช้ RNA ^{[ 42 ]}ออร์แกเนลล์ที่ไม่มีเยื่อหุ้มเหล่านี้สามารถออกแบบให้เป็นโครงสร้างรองรับเส้นทางการเผาผลาญ^{[ 43 ]}หรือช่วยให้การทำให้บริสุทธิ์ของโปรตีนโดยไม่ต้องใช้วัสดุโครมาโทกราฟีภายนอกแบบดั้งเดิมด้วยเวิร์กโฟลว์ที่เรียกว่า PandaPure ^{[ 44 ]}

ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์โปรโตเซลล์ทำให้ชีวิตเทียมเข้าใกล้ความเป็นจริงมากขึ้นอีกขั้นด้วยการสังเคราะห์ไม่เพียงแต่จีโนมเท่านั้น แต่ยังรวมถึงส่วนประกอบทุกอย่างของเซลล์ในหลอดทดลองด้วย ซึ่งแตกต่างจากแนวทางจีโนมิกส์เชิงสังเคราะห์ที่อาศัยการบังคับเซลล์ธรรมชาติให้ดำเนินการตามคำสั่งที่เข้ารหัสโดยจีโนมสังเคราะห์ที่นำเข้ามา นักชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ในสาขานี้มองว่างานของพวกเขาเป็นการศึกษาพื้นฐานเกี่ยวกับเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการดำรงอยู่ของชีวิตและต้นกำเนิดของชีวิตมากกว่าเทคนิคอื่นๆ อย่างไรก็ตาม เทคนิคโปรโตเซลล์ยังเหมาะสำหรับการประยุกต์ใช้เช่นกัน เช่นเดียวกับผลพลอยได้จากชีววิทยาเชิงสังเคราะห์อื่นๆ โปรโตเซลล์สามารถนำมาใช้ในการผลิตไบโอพอลิเมอร์และยาได้^{[ 41 ]}

วัตถุประสงค์ของกลยุทธ์ "ชีววิทยาโมเลกุลที่ไม่เป็นธรรมชาติ" คือการสร้างสิ่งมีชีวิตสายพันธุ์ใหม่โดยอาศัยชีววิทยาโมเลกุลที่แตกต่างออกไป เช่น กรดนิวคลีอิกชนิดใหม่หรือรหัสพันธุกรรมใหม่ การสร้างนิวคลีโอไทด์ชนิดใหม่ที่สามารถสร้างเป็นกรดนิวคลีอิกเฉพาะตัวได้นั้น สามารถทำได้โดยการเปลี่ยนส่วนประกอบของ DNA หรือ RNA บางอย่าง เช่น เบสหรือน้ำตาลโครงสร้างหลัก^{[ 41 ]}

รหัสพันธุกรรมปกติกำลังถูกเปลี่ยนแปลงโดยการแทรกโคดอนสี่ตัวหรือเปลี่ยนโคดอนบางตัวเพื่อเข้ารหัสกรดอะมิโนใหม่ ซึ่งจะทำให้สามารถใช้กรดอะมิโนที่ไม่เป็นธรรมชาติที่มีคุณสมบัติเฉพาะในการผลิตโปรตีนได้ การปรับกลไกเอนไซม์ของเซลล์สำหรับทั้งสองแนวทางนี้เป็นปัญหาทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี^{[ 41 ]}

สิ่งมีชีวิตรูปแบบใหม่จะถูกสร้างขึ้นโดยสิ่งมีชีวิตที่มีจีโนมที่สร้างขึ้นจากกรดนิวคลีอิกสังเคราะห์หรือระบบการเข้ารหัสใหม่ทั้งหมดสำหรับกรดอะมิโนสังเคราะห์ รูปแบบชีวิตใหม่นี้จะมีประโยชน์บางประการ แต่ก็มีอันตรายใหม่ๆ ด้วยเช่นกัน เมื่อปล่อยสู่สิ่งแวดล้อม จะไม่มีการถ่ายทอดยีนในแนวนอนหรือการผสมข้ามสายพันธุ์กับสายพันธุ์ตามธรรมชาติ นอกจากนี้ สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์เหล่านี้อาจถูกสร้างขึ้นให้ต้องการวัสดุที่ไม่เป็นธรรมชาติสำหรับการสังเคราะห์โปรตีนหรือกรดนิวคลีอิก ทำให้พวกมันไม่สามารถเจริญเติบโตในป่าได้หากหลุดรอดออกมาโดยบังเอิญ^{[ 41 ]}

ในทางกลับกัน หากสิ่งมีชีวิตเหล่านี้สามารถอยู่รอดได้นอกพื้นที่ควบคุม พวกมันอาจได้รับประโยชน์เป็นพิเศษเหนือสิ่งมีชีวิตตามธรรมชาติ เพราะพวกมันจะต้านทานสิ่งมีชีวิตที่ล่าเหยื่อหรือไวรัสตามธรรมชาติ ซึ่งอาจนำไปสู่การแพร่กระจายของสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์อย่างไม่สามารถควบคุมได้^{[ 41 ]}

ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ในคอมพิวเตอร์และกลยุทธ์ต่างๆ นั้นเชื่อมโยงกัน การพัฒนารูปแบบที่ซับซ้อน ไม่ว่าจะเป็นเส้นทางการเผาผลาญ กระบวนการพื้นฐานของเซลล์ หรือจีโนมโครงสร้าง เป็นหนึ่งในความยากลำบากหลักที่วิธีการชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ทั้งสี่วิธีที่กล่าวมาข้างต้นต้องเผชิญ ด้วยเหตุนี้ ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์จึงมีสาขาในคอมพิวเตอร์ที่แข็งแกร่ง คล้ายกับชีววิทยาเชิงระบบ ซึ่งมุ่งสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์สำหรับการออกแบบส่วนประกอบทางชีวภาพทั่วไปหรือวงจรสังเคราะห์ ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นการจำลองสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์^{[ 41 ]}

การประยุกต์ใช้การจำลองและแบบจำลองในทางปฏิบัติผ่านทางวิศวกรรมชีวภาพหรือสาขาอื่นๆ ของชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ถือเป็นเป้าหมายระยะยาวของชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ในคอมพิวเตอร์ การจำลองเชิงคำนวณของสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์จำนวนมากจนถึงปัจจุบันนี้แทบไม่มีความคล้ายคลึงโดยตรงกับสิ่งมีชีวิตเลย ด้วยเหตุนี้ ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ในคอมพิวเตอร์จึงถูกจัดเป็นกลุ่มแยกต่างหากในบทความนี้^{[ 41 ]}

เป็นการสมเหตุสมผลที่จะบูรณาการทั้งห้าสาขาภายใต้ร่มเงาของชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ให้เป็นสาขาการศึกษาที่เป็นหนึ่งเดียว แม้ว่าสาขาเหล่านี้จะมุ่งเน้นไปที่แง่มุมต่างๆ ของชีวิต เช่น การควบคุมการเผาผลาญ องค์ประกอบที่จำเป็น หรือองค์ประกอบทางชีวเคมี แต่กลยุทธ์ทั้งห้านี้ล้วนทำงานไปสู่เป้าหมายเดียวกัน นั่นคือ การสร้างสิ่งมีชีวิตชนิดใหม่ นอกจากนี้ วิธีการที่หลากหลายเริ่มต้นด้วยแนวทางวิธีการมากมาย ซึ่งนำไปสู่ความหลากหลายของแนวทางชีววิทยาเชิงสังเคราะห์^{[ 41 ]}

ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์เป็นสาขาสหวิทยาการที่ดึงเอาและได้รับแรงบันดาลใจจากสาขาวิทยาศาสตร์ต่างๆ มากมาย ไม่ใช่เพียงสาขาเดียวหรือเทคนิคเดียว นักชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ทุกคนมีเป้าหมายพื้นฐานเดียวกันคือการออกแบบและสร้างสิ่งมีชีวิตรูปแบบใหม่ แม้ว่าพวกเขาอาจจะใช้วิธีการ เทคนิค และเครื่องมือวิจัยที่แตกต่างกัน การประเมินชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ไม่ว่าจะเป็นการพิจารณาด้านจริยธรรม กฎหมาย หรือความปลอดภัย จะต้องคำนึงถึงข้อเท็จจริงที่ว่า ในขณะที่บางคำถาม ความเสี่ยง และปัญหาเป็นเอกลักษณ์เฉพาะของแต่ละเทคนิค แต่ในบางสถานการณ์ ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์โดยรวมจะต้องนำมาพิจารณาด้วย^{[ 41 ]}

ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์โดยทั่วไปแบ่งออกเป็น 4 แนวทางวิศวกรรมที่แตกต่างกัน ได้แก่ แบบบนลงล่าง แบบขนาน แบบตั้งฉาก และแบบล่างขึ้นบน^{[ 45 ]}

เพื่อจำลองพฤติกรรมที่เกิดขึ้นใหม่จากชีววิทยาตามธรรมชาติและสร้างสิ่งมีชีวิตเทียม จึงมีการใช้สารเคมีที่ไม่เป็นธรรมชาติ ในทางกลับกันก็มองหาส่วนประกอบที่สามารถใช้ทดแทนกันได้จากระบบชีวภาพเพื่อนำมาประกอบกันและสร้างระบบที่ไม่ทำงานตามธรรมชาติ ไม่ว่าในกรณีใด วัตถุประสงค์ของการสังเคราะห์จะกระตุ้นให้นักวิจัยต้องบุกเบิกพื้นที่ใหม่เพื่อมีส่วนร่วมและแก้ไขปัญหาที่ไม่สามารถแก้ไขได้ง่ายด้วยการวิเคราะห์ ด้วยเหตุนี้ กระบวนทัศน์ใหม่จึงเกิดขึ้นในลักษณะที่การวิเคราะห์ทำได้ยาก นอกจากอุปกรณ์ที่สั่นไหว คืบคลาน และเล่นเกมโอเอ็กซ์แล้ว ชีววิทยาสังเคราะห์ยังได้ผลิตเครื่องมือวินิจฉัยที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการรักษาผู้ป่วยโรคติดเชื้ออีกด้วย^{[ 46 ]}

เกี่ยวข้องกับการใช้เทคนิคทางวิศวกรรมเมตาบอลิซึมและพันธุกรรมเพื่อมอบฟังก์ชันใหม่ให้กับเซลล์ที่มีชีวิต^{[ 47 ]}โดยการเปรียบเทียบยีนสากลและกำจัดยีนที่ไม่จำเป็นเพื่อสร้างจีโนมพื้นฐาน วิธีนี้มุ่งหวังที่จะลดความซับซ้อนของเซลล์ที่มีอยู่ ความริเริ่มเหล่านี้ตั้งอยู่บนสมมติฐานของการกำเนิดเดียวของสิ่งมีชีวิตเซลล์ ซึ่งเรียกว่าบรรพบุรุษร่วมสากลสุดท้าย (Last Universal Common Ancestor ) ซึ่งสนับสนุนการมีอยู่ของจีโนมขั้นต่ำสากลที่ก่อให้เกิดสิ่งมีชีวิตทั้งหมด อย่างไรก็ตาม การศึกษาล่าสุดทำให้เกิดความเป็นไปได้ว่าเซลล์ยูคาริโอติกและโปรคาริโอติกที่ประกอบกันเป็นต้นไม้แห่งชีวิตอาจวิวัฒนาการมาจากกลุ่มเซลล์ดั้งเดิมมากกว่าจากเซลล์เดียว ผลก็คือ แม้ว่าการแสวงหา "จีโนมขั้นต่ำ" ที่เหมือนจอกศักดิ์สิทธิ์จะยากขึ้นเรื่อยๆ การตัดฟังก์ชันที่ไม่จำเป็นจำนวนหนึ่งออกไปจะทำให้ความเหมาะสมของสิ่งมีชีวิตลดลงและนำไปสู่จีโนมที่ "เปราะบาง" ^{[ 45 ]}

แนวทางนี้เกี่ยวข้องกับการสร้างระบบชีวภาพใหม่ในหลอดทดลองโดยการนำส่วนประกอบชีวโมเลกุลที่ 'ไม่มีชีวิต' มารวมกัน^{[ 48 ]}โดยมักมีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างเซลล์ เทียม

การสืบพันธุ์ การจำลอง และการประกอบ เป็นหลักการจัดระเบียบตนเองที่สำคัญ 3 ประการที่ต้องนำมาพิจารณาเพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ เซลล์ซึ่งประกอบด้วยภาชนะและกระบวนการเผาผลาญ ถือเป็น "ฮาร์ดแวร์" ในคำจำกัดความของการสืบพันธุ์ ในขณะที่การจำลองเกิดขึ้นเมื่อระบบสร้างสำเนาที่สมบูรณ์แบบของตัวเอง เช่นในกรณีของ DNA ซึ่งถือเป็น "ซอฟต์แวร์" เมื่อเวสิเคิลหรือภาชนะ (เช่น โคแอเซอร์เวตของโอพาริน) ที่เกิดจากหยดโมเลกุลขนาดเล็กที่เป็นสารอินทรีย์ เช่น ไขมันหรือไลโปโซม โครงสร้างคล้ายเยื่อหุ้มเซลล์ที่ประกอบด้วยฟอสโฟลิปิด รวมตัวกัน การประกอบจึงเกิดขึ้น^{[ 45 ]}

การศึกษาโปรโตเซลล์มีอยู่ควบคู่ไปกับโครงการชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ในหลอดทดลองอื่นๆ ที่มุ่งสร้างเซลล์ขนาดเล็ก เส้นทางการเผาผลาญ หรือ "โปรตีนที่ไม่เคยเกิดขึ้น" รวมถึงการเลียนแบบการทำงานทางสรีรวิทยา เช่น การแบ่งเซลล์และการเจริญเติบโต เมื่อเร็วๆ นี้ ระบบไร้เซลล์ที่สามารถดำรงอยู่ได้ด้วยตนเองโดยใช้ CO2 ได้รับ_การออกแบบโดยการบูรณาการการเผาผลาญเข้ากับการแสดงออกของยีนจากล่างขึ้นบน^{[ 49 ]}

วิศวกรรมคู่ขนานเรียกอีกอย่างว่าวิศวกรรมชีวภาพ รหัสพันธุกรรมพื้นฐานเป็นรากฐานของการวิจัยวิศวกรรมคู่ขนาน ซึ่งใช้โมเลกุลชีวภาพทั่วไป เช่น กรดนิวคลีอิกและกรดอะมิโน 20 ชนิดในการสร้างระบบชีวภาพ สำหรับการใช้งานที่หลากหลายในด้านการคำนวณทางชีวภาพ พลังงานชีวภาพ เชื้อเพลิงชีวภาพ การบำบัดทางชีวภาพ ออปโตเจเนติกส์ และการแพทย์ เกี่ยวข้องกับการกำหนดมาตรฐานของส่วนประกอบ DNA การออกแบบสวิตช์ ไบโอเซนเซอร์ วงจรพันธุกรรม ประตูตรรกะ และตัวดำเนินการสื่อสารของเซลล์ สำหรับการควบคุมการแสดงออกของยีนและ/หรือโปรตีนสองตัวขึ้นไป การใช้งานส่วนใหญ่เหล่านี้มักอาศัยการใช้เวกเตอร์ (หรือพลาสมิด) หนึ่งตัวหรือมากกว่า หน่วย DNA สองสายแบบวงกลมขนาดเล็กที่เรียกว่าพลาสมิด ซึ่งส่วนใหญ่พบในเซลล์โปรคาริโอต แต่บางครั้งก็สามารถตรวจพบได้ในเซลล์ยูคาริโอต อาจจำลองตัวเองได้อย่างอิสระจาก DNA โครโมโซม^{[ 45 ]}

นอกจากนี้ยังรู้จักกันในชื่อวิศวกรรมตั้งฉาก กลยุทธ์นี้เรียกอีกอย่างว่า "ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ทางเคมี" โดยหลักแล้วมุ่งที่จะเปลี่ยนแปลงหรือขยายรหัสพันธุกรรมของระบบสิ่งมีชีวิตโดยใช้เบส DNA เทียมและ/หรือกรดอะมิโน สาขาย่อยนี้ยังเชื่อมโยงกับชีววิทยาต่างดาวซึ่งเป็นสาขาที่พัฒนาขึ้นใหม่ซึ่งรวมเคมีระบบ ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ ชีววิทยานอกโลกและการวิจัยเกี่ยวกับต้นกำเนิดของชีวิต ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา นักวิจัยได้สร้างสารประกอบที่มีโครงสร้างคล้ายกับเบส DNA มาตรฐานเพื่อดูว่าโมเลกุล "ต่างดาว" หรือซีโน (XNA) เหล่านั้นอาจถูกนำมาใช้เป็นพาหะข้อมูลทางพันธุกรรมหรือไม่ ในทำนองเดียวกัน ส่วนประกอบที่ไม่เป็นไปตามมาตรฐานได้เข้ามาแทนที่น้ำตาล DNA ( ดีออกซีไรโบส ) ^{[ 45 ]}เพื่อแสดงข้อมูลอื่นนอกเหนือจากกรดอะมิโน 20 ชนิดตามปกติของโปรตีน รหัสพันธุกรรมสามารถเปลี่ยนแปลงหรือขยายได้ วิธีหนึ่งเกี่ยวข้องกับการรวมกรดอะมิโนที่ไม่เป็นธรรมชาติ ไม่เป็นไปตามแบบแผน หรือกรดอะมิโนแปลกปลอม (XAA) เข้าไปในโปรตีนหนึ่งตัวหรือมากกว่านั้น ณ ตำแหน่งที่แม่นยำหนึ่งตำแหน่งหรือมากกว่านั้น โดยใช้เอนไซม์แบบตั้งฉากและอะแดปเตอร์ tRNA จากสิ่งมีชีวิตอื่น การใช้ "วิวัฒนาการแบบกำหนดทิศทาง" ซึ่งเกี่ยวข้องกับวงจรการกลายพันธุ์ของยีนซ้ำๆ (การสร้างความหลากหลายทางพันธุกรรม) การคัดกรองหรือการคัดเลือก (ลักษณะทางฟีโนไทป์ที่เฉพาะเจาะจง) และการขยายพันธุ์ที่ดีกว่าสำหรับรอบการทำซ้ำครั้งต่อไป ทำให้เกิดเอนไซม์แบบตั้งฉากขึ้น กรดอะมิโนแปลกปลอมจำนวนมากได้รับการรวมเข้ากับโปรตีนในสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนกว่า เช่น หนอนและแมลงวัน ตลอดจนในแบคทีเรีย ยีสต์ และเซลล์ของมนุษย์ ผลจากการเปลี่ยนแปลงลำดับดีเอ็นเอแบบแผน วิวัฒนาการแบบกำหนดทิศทางยังช่วยให้เกิดการพัฒนาไรโบโซมแบบตั้งฉาก ซึ่งทำให้การรวมกรดอะมิโนแปลกปลอมเข้ากับโปรตีนหรือการสร้าง "สิ่งมีชีวิตสะท้อน" หรือระบบชีวภาพที่ประกอบด้วยโมเลกุลชีวภาพที่ประกอบด้วยเอนันติโอเมอร์ที่มีทิศทางไครัลต่างกันทำได้ง่ายขึ้น^{[ 45 ]}

เทคโนโลยีใหม่ๆ หลายอย่างมีความสำคัญต่อความสำเร็จของชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ แนวคิดต่างๆ ได้แก่การกำหนดมาตรฐานของส่วนประกอบทางชีวภาพและการสร้างนามธรรมแบบลำดับชั้นเพื่อให้สามารถใช้ส่วนประกอบเหล่านั้นในระบบสังเคราะห์ได้^{[ 50 ]} DNA ทำหน้าที่เป็นแนวทางสำหรับวิธีการทำงานของกระบวนการทางชีวภาพ เช่นเดียวกับโน้ตดนตรีสำหรับซิมโฟนีชีวิตที่ซับซ้อน ความสามารถของเราในการทำความเข้าใจและออกแบบระบบชีวภาพได้รับการปรับเปลี่ยนอย่างมีนัยสำคัญอันเป็นผลมาจากการพัฒนาในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาทั้งในด้านการอ่าน (การจัดลำดับ) และการเขียน (การสังเคราะห์) ลำดับ DNA การพัฒนาเหล่านี้ได้สร้างเทคนิคที่ก้าวล้ำสำหรับการออกแบบ การประกอบ และการดัดแปลงยีน วัสดุ วงจร และวิถีเมตาบอลิซึมที่เข้ารหัสด้วย DNA ทำให้สามารถควบคุมระบบชีวภาพและแม้กระทั่งสิ่งมีชีวิตทั้งหมดได้มากขึ้นเรื่อยๆ^{[ 51 ]}

เทคโนโลยีพื้นฐานได้แก่ การอ่านและเขียนดีเอ็นเอ (การจัดลำดับและการสร้าง) การวัดภายใต้เงื่อนไขต่างๆ เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการสร้างแบบจำลองที่แม่นยำและการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAD)

ด้วยต้นทุน การสังเคราะห์ โอลิโก นิวคลีโอไท ด์ ("โอลิโก") ที่ลดลงอย่างมากและการเกิดขึ้นของ PCR ทำให้ขนาดของโครงสร้าง DNA จากโอลิโกเพิ่มขึ้นจนถึงระดับจีโนม^{[ 52 ]} ในปี 2000 นักวิจัยรายงานการสังเคราะห์จีโน มไวรัสตับอักเสบซีขนาด 9.6 kbp (กิโลเบส) จาก 60 ถึง 80 เมอร์ที่สังเคราะห์ทางเคมี^{[ 53 ]}ในปี 2002 นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยสโตนีบรูก ประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์จีโนม ไวรัสโปลิโอขนาด 7741 bp จากลำดับที่ตีพิมพ์ไว้ ซึ่งเป็นจีโนมสังเคราะห์ตัวที่สองที่ใช้เวลาสองปี^{[ 54 ]}ในปี 2003 จีโนมขนาด 5386 bp ของแบคทีริโอเฟจPhi X 174ถูกประกอบขึ้นในเวลาประมาณสองสัปดาห์^{[ 55 ]}ในปี พ.ศ. 2549 ทีมงานเดียวกันที่สถาบัน J. Craig Venterได้สร้างและจดสิทธิบัตรจีโนมสังเคราะห์ของแบคทีเรียขนาดเล็กชนิดใหม่Mycoplasma laboratoriumและกำลังดำเนินการเพื่อให้มันทำงานได้ในเซลล์ที่มีชีวิต^{[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]}

ในปี 2550 มีรายงานว่าบริษัทหลายแห่งเสนอการสังเคราะห์ลำดับพันธุกรรมที่มีความยาวสูงสุด 2,000 คู่เบส (bp) ในราคาประมาณ 1 ดอลลาร์ต่อคู่เบส และใช้เวลาดำเนินการน้อยกว่าสองสัปดาห์^{[ 59 ]}โอลิโกนิวคลีโอไทด์ที่เก็บเกี่ยวจากชิป DNA ที่ผลิตด้วยโฟโตลิโทกราฟีหรืออิงค์เจ็ท ร่วมกับ PCR และการแก้ไขข้อผิดพลาดการจับคู่ DNA ที่ไม่ตรงกัน ช่วยให้สามารถเปลี่ยนแปลง โคดอน ในระบบพันธุกรรม ขนาดใหญ่ได้อย่างประหยัดเพื่อปรับปรุงการแสดงออกของยีนหรือรวมกรดอะมิโนใหม่(ดู โครงการเซลล์สังเคราะห์ของ George M. Churchและ Anthony Forster ^{[ 60 ] [ 61 ]} )ซึ่งสนับสนุนแนวทางการสังเคราะห์ตั้งแต่เริ่มต้น

นอกจากนี้ ระบบ CRISPR/Casได้กลายเป็นเทคนิคที่น่าสนใจสำหรับการแก้ไขยีน โดยได้รับการอธิบายว่าเป็น "นวัตกรรมที่สำคัญที่สุดในสาขาชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ในรอบเกือบ 30 ปี" ^{[ 62 ]}ในขณะที่วิธีการอื่นๆ ต้องใช้เวลาหลายเดือนหรือหลายปีในการแก้ไขลำดับยีน แต่ CRISPR สามารถเร่งเวลาดังกล่าวให้เหลือเพียงไม่กี่สัปดาห์^{[ 62 ]}อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความง่ายในการใช้งานและการเข้าถึง จึงทำให้เกิดข้อกังวลด้านจริยธรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวกับการนำไปใช้ในการแฮ็กชีวภาพ^{[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]}

การจัดลำดับดีเอ็นเอจะกำหนดลำดับของ เบส นิวคลีโอไทด์ในโมเลกุลดีเอ็นเอ นักชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ใช้การจัดลำดับดีเอ็นเอในงานของพวกเขาในหลายวิธี ประการแรก ความพยายามในการจัดลำดับจีโนมขนาดใหญ่ยังคงให้ข้อมูลเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ข้อมูลนี้เป็นพื้นฐานที่อุดมสมบูรณ์ซึ่งนักชีววิทยาเชิงสังเคราะห์สามารถสร้างชิ้นส่วนและอุปกรณ์ได้ ประการที่สอง การจัดลำดับสามารถตรวจสอบได้ว่าระบบที่สร้างขึ้นเป็นไปตามที่ตั้งใจไว้ ประการที่สาม การจัดลำดับที่รวดเร็ว ราคาถูก และเชื่อถือได้ สามารถอำนวยความสะดวกในการตรวจจับและระบุระบบและสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ได้อย่างรวดเร็ว^{[ 66 ]}

นี่คือความสามารถของระบบหรือส่วนประกอบในการทำงานโดยไม่ต้องอ้างอิงถึงบริบท^{[ 67 ]}

ส่วนประกอบ DNA มาตรฐานที่ใช้มากที่สุด^{[ 68 ] : 22–23} คือพลาสมิด BioBrickซึ่งคิดค้นโดยTom Knightในปี 2546 ^{[ 14 ]} BioBrick ถูกจัดเก็บไว้ที่Registry of Standard Biological Partsในเมืองเคมบริดจ์ รัฐแมสซาชูเซตส์ มาตรฐาน BioBrick ถูกใช้โดยนักเรียนหลายหมื่นคนทั่วโลกใน การแข่งขัน Genetically Engineered Machine (iGEM) ระดับนานาชาติ มาตรฐานการประกอบ BioBrick 10 ส่งเสริมความเป็นโมดูลาร์โดยอนุญาตให้ลำดับการเข้ารหัส BioBrick สามารถถูกตัดออกและแลกเปลี่ยนได้โดยใช้เอนไซม์ตัดจำเพาะ EcoRI หรือ XbaI (คำนำหน้า BioBrick) และ SpeI และ PstI (คำต่อท้าย BioBrick) ^{[ 68 ] : 22–23}

การทับซ้อนของลำดับระหว่างองค์ประกอบทางพันธุกรรมสองอย่าง ( ยีนหรือลำดับการเข้ารหัส ) เรียกว่ายีนที่ทับซ้อนกันสามารถป้องกันการจัดการแต่ละส่วนได้^{[ 69 ]}เพื่อเพิ่มความเป็นโมดูลาร์ของจีโนม การปฏิบัติการปรับโครงสร้างจีโนมใหม่หรือการปรับปรุง "โครงสร้างภายในของระบบที่มีอยู่สำหรับการใช้งานในอนาคต ในขณะเดียวกันก็รักษาฟังก์ชันของระบบภายนอก" ^{[ 70 ]}ได้ถูกนำมาใช้ในสาขาชีววิทยาเชิงสังเคราะห์^{[ 69 ]}ตัวอย่างที่น่าสนใจของการปรับโครงสร้างใหม่ ได้แก่ กลุ่มการตรึงไนโตรเจน^{[ 71 ]}และระบบการหลั่งประเภท III ^{[ 72 ]}รวมถึงแบคทีริโอเฟจ T7 ^{[ 70 ]}และ ΦX174 ^{[ 73 ]}

แม้ว่า DNA จะมีความสำคัญที่สุดสำหรับการจัดเก็บข้อมูล แต่กิจกรรมส่วนใหญ่ของเซลล์นั้นดำเนินการโดยโปรตีน เครื่องมือต่างๆ สามารถส่งโปรตีนไปยังบริเวณเฉพาะของเซลล์และเชื่อมโยงโปรตีนต่างๆ เข้าด้วยกันได้ ความแข็งแรงของการโต้ตอบระหว่างโปรตีนคู่ควรปรับได้ตั้งแต่ช่วงเวลาสั้นๆ (ซึ่งเป็นที่ต้องการสำหรับเหตุการณ์การส่งสัญญาณแบบไดนามิก) ไปจนถึงการโต้ตอบที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ (ซึ่งเป็นที่ต้องการสำหรับความเสถียรของอุปกรณ์หรือทนทานต่อสภาวะที่รุนแรง) การโต้ตอบเช่นcoiled coils [ ^{74 ] การ} จับกัน ของโดเมน SH3 กับเปปไทด์^{[ 75 ]}หรือSpyTag/SpyCatcher ^{[ 76 ]}นำเสนอการควบคุมดังกล่าว นอกจากนี้ ยังจำเป็นต้องควบคุมการโต้ตอบระหว่างโปรตีนกับโปรตีนในเซลล์ เช่น ด้วยแสง (โดยใช้โดเมนตรวจจับแสง-ออกซิเจน-แรงดันไฟฟ้า ) หรือโมเลกุลขนาดเล็กที่สามารถซึมผ่านเซลล์ได้โดย การเหนี่ยวนำให้เกิดไดเมอ ร์ ด้วย สารเคมี^{[ 77 ]}

ในเซลล์ที่มีชีวิต โมเลกุลโมทีฟจะฝังอยู่ในเครือข่ายขนาดใหญ่ที่มีส่วนประกอบต้นน้ำและปลายน้ำ ส่วนประกอบเหล่านี้อาจเปลี่ยนแปลงความสามารถในการส่งสัญญาณของโมดูลการสร้างแบบจำลอง ในกรณีของโมดูลที่มีความไวสูงมาก การมีส่วนร่วมของความไวของโมดูลอาจแตกต่างจากความไวที่โมดูลนั้นดำรงอยู่ได้โดยลำพัง^{[ 78 ] [ 79 ]}

แบบจำลองช่วยให้การออกแบบระบบชีวภาพทางวิศวกรรมเป็นไปได้ดียิ่งขึ้น โดยสามารถทำนายพฤติกรรมของระบบก่อนการผลิตได้ ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ได้รับประโยชน์จากแบบจำลองที่ดีขึ้นเกี่ยวกับวิธีที่โมเลกุลชีวภาพจับกับสารตั้งต้นและเร่งปฏิกิริยา วิธีที่ DNA เข้ารหัสข้อมูลที่จำเป็นในการกำหนดเซลล์ และวิธีที่ระบบแบบบูรณาการหลายองค์ประกอบทำงาน แบบจำลองหลายระดับของเครือข่ายควบคุมยีนมุ่งเน้นไปที่การประยุกต์ใช้ในชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ การจำลองสามารถจำลองปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลชีวภาพทั้งหมดในการถอดรหัสการแปล การควบคุมและการเหนี่ยวนำของเครือข่ายควบคุมยีน^{[ 80 ] [ 81 ]}

การสร้างแบบจำลองที่ครอบคลุมเท่านั้นที่จะช่วยให้สามารถสำรวจการแสดงออกของยีนแบบไดนามิกในรูปแบบที่เหมาะสมสำหรับการวิจัยและการออกแบบ เนื่องจากมีสปีชีส์ที่เกี่ยวข้องจำนวนมากและความสัมพันธ์ที่ซับซ้อน การจำลองแบบไดนามิกของการเชื่อมต่อทางชีวโมเลกุลทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการควบคุม การขนส่ง การถอดรหัส การเหนี่ยวนำ และการแปล ช่วยให้สามารถลงรายละเอียดการออกแบบในระดับโมเลกุลได้ ซึ่งแตกต่างจากการสร้างแบบจำลองเครือข่ายเทียมภายหลัง^{[ 81 ]}

ไมโครฟลูอิดิกส์โดยเฉพาะไมโครฟลูอิดิกส์แบบหยด เป็นเครื่องมือที่กำลังพัฒนาซึ่งใช้ในการสร้างส่วนประกอบใหม่ และเพื่อวิเคราะห์และกำหนดลักษณะเฉพาะของส่วนประกอบเหล่านั้น^{[ 82 ] [ 83 ]}มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการทดสอบคัดกรอง^{[ 84 ]}

การศึกษาวิจัยได้พิจารณาส่วนประกอบของ กลไก การถอดรหัส DNAความปรารถนาอย่างหนึ่งของนักวิทยาศาสตร์ที่สร้างวงจรชีวภาพสังเคราะห์คือการควบคุมการถอดรหัส DNA สังเคราะห์ในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว ( โปรคาริโอต ) และในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ ( ยูคาริโอต ) การศึกษาวิจัยหนึ่งได้ทดสอบความสามารถในการปรับตัวของปัจจัยการถอดรหัสสังเคราะห์ (sTFs) ในด้านผลลัพธ์การถอดรหัสและความสามารถในการทำงานร่วมกันระหว่างกลุ่มปัจจัยการถอดรหัสหลายกลุ่ม^{[ 85 ]}นักวิจัยสามารถกลายพันธุ์บริเวณการทำงานที่เรียกว่านิ้วสังกะสีซึ่งเป็นส่วนประกอบเฉพาะของ DNA ใน sTFs เพื่อลดความสัมพันธ์กับลำดับ DNA ของตัวดำเนินการเฉพาะ และด้วยเหตุนี้จึงลดกิจกรรมเฉพาะไซต์ที่เกี่ยวข้องของ sTF (โดยปกติคือการควบคุมการถอดรหัส) พวกเขายังใช้นิ้วสังกะสีเป็นส่วนประกอบของ sTFs ที่สร้างคอมเพล็กซ์ ซึ่งเป็นกลไกการแปลของยูคาริโอต^{[ 85 ]}

โครงการด้านชีววิทยาเชิงสังเคราะห์มักมีเป้าหมายเพื่อออกแบบสิ่งมีชีวิตใหม่เพื่อให้สามารถสร้างวัสดุ เช่น ยาหรือเชื้อเพลิง หรือได้รับฟังก์ชันใหม่ เช่น ความสามารถในการรับรู้สิ่งต่างๆ ในสิ่งแวดล้อม ตัวอย่างสิ่งที่นักวิจัยกำลังสร้างโดยใช้ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ ได้แก่:

• การใช้จุลินทรีย์ในการบำบัดทางชีวภาพเพื่อกำจัดสารปนเปื้อนออกจากน้ำ ดิน และอากาศของเรา
• การผลิตผลิตภัณฑ์ธรรมชาติที่ซับซ้อน ซึ่งโดยปกติแล้วจะสกัดจากพืช แต่ไม่สามารถหาได้ในปริมาณที่เพียงพอ เช่น ยาที่มีต้นกำเนิดจากธรรมชาติ เช่นอาร์เทมิซินินและแพคลิแทกเซล
• เบต้าแคโรทีน สารที่มักพบในแครอทและช่วยป้องกันการขาดวิตามินเอ ผลิตได้จากข้าวที่ผ่านการดัดแปลงพันธุกรรม ทุกปีมีเด็กประมาณ 250,000 ถึง 500,000 คนสูญเสียการมองเห็นเนื่องจากการขาดวิตามินเอ ซึ่งยังเพิ่มโอกาสการเสียชีวิตจากโรคติดเชื้ออย่างมีนัยสำคัญอีกด้วย
• ยีสต์ถูกสร้างขึ้นเพื่อผลิตน้ำมันกุหลาบ ซึ่งเป็นทางเลือกที่ยั่งยืนและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมแทนกุหลาบสดที่นักปรุงน้ำหอมใช้ในการสร้างกลิ่นหอมราคาแพง^{[ 3 ]}

ไบโอเซนเซอร์ หมายถึงสิ่งมีชีวิตที่ถูกดัดแปลงพันธุกรรม ^ซึ่งโดยทั่วไปคือแบคทีเรีย ที่สามารถรายงานปรากฏการณ์แวดล้อมบางอย่าง เช่น การมีอยู่ของโลหะหนักหรือสารพิษ ระบบหนึ่งดังกล่าวคือโอเปรอน LuxของAliivibrio fischeri [ ^{86 ]}ซึ่งเข้ารหัสเอนไซม์ที่เป็นแหล่งกำเนิดของไบโอเรืองแสง ของแบคทีเรีย และสามารถวางไว้หลังโปรโมเตอร์ ตอบสนอง เพื่อแสดงยีนเรืองแสงเพื่อตอบสนองต่อสิ่งกระตุ้นสิ่งแวดล้อมที่เฉพาะเจาะจง^{[ 87 ]}เซนเซอร์ที่สร้างขึ้นตัวหนึ่งประกอบด้วย การเคลือบ แบคทีเรียเรืองแสงบนชิปคอมพิวเตอร์ ที่ไวต่อแสง เพื่อตรวจจับมลพิษปิโตรเลียม บางชนิด เมื่อแบคทีเรียตรวจจับมลพิษได้ พวกมันจะเรืองแสง^{[ 88 ]}อีกตัวอย่างหนึ่งของกลไกที่คล้ายกันคือการตรวจจับทุ่นระเบิดโดย สายพันธุ์ E.coli ที่ถูกดัดแปลงพันธุกรรม ซึ่งสามารถตรวจจับTNTและผลิตภัณฑ์การสลายตัวหลักDNTและผลิตโปรตีนเรืองแสงสีเขียว ( GFP ) ^{[ 89 ]}

สิ่งมีชีวิตที่ได้รับการดัดแปลงสามารถรับรู้สัญญาณสิ่งแวดล้อมและส่งสัญญาณเอาต์พุตที่สามารถตรวจจับได้และใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการวินิจฉัย มีการใช้กลุ่มจุลินทรีย์^{[ 90 ]}

ไบโอเซนเซอร์ยังสามารถใช้ตรวจจับลายเซ็นก่อโรค เช่นSARS-CoV-2และสามารถสวมใส่ได้^{[ 91 ] [ 92 ]}

เพื่อวัตถุประสงค์ในการตรวจจับและตอบสนองต่อปัจจัยสิ่งแวดล้อมต่างๆ ที่เกิดขึ้นชั่วคราว เซลล์ได้พัฒนาวงจรควบคุมที่หลากหลาย ตั้งแต่ระดับการถอดรหัสไปจนถึงระดับหลังการแปล วงจรเหล่านี้ประกอบด้วยโมดูลตัวแปลงสัญญาณที่กรองสัญญาณและกระตุ้นการตอบสนองทางชีวภาพ รวมถึงส่วนที่ไวต่อการตรวจจับซึ่งได้รับการออกแบบมาอย่างพิถีพิถันเพื่อยึดสารวิเคราะห์และควบคุมเกณฑ์การตรวจจับสัญญาณ ความเป็นโมดูลและความสามารถในการเลือกได้รับการตั้งโปรแกรมไว้ในวงจรไบโอเซนเซอร์ในระดับการถอดรหัส การแปล และหลังการแปล เพื่อให้เกิดความสมดุลอย่างละเอียดอ่อนของโมดูลการตรวจจับพื้นฐานทั้งสอง^{[ 67 ]}

อย่างไรก็ตาม ผลิตภัณฑ์โภชนาการสังเคราะห์ไม่ได้เป็นเพียงผลิตภัณฑ์อาหารสัตว์เท่านั้น ตัวอย่างเช่น ณ ปี 2021 มีรายงานว่าผลิตภัณฑ์กาแฟสังเคราะห์ใกล้จะวางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์แล้ว^{[ 105 ] [ 106 ] [ 107 ]}สาขาการวิจัยและการผลิตที่คล้ายคลึงกันโดยอาศัยชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ที่สามารถนำมาใช้ในการผลิตอาหารและเครื่องดื่ม ได้แก่:

• วัฒนธรรมอาหารจุลินทรีย์ที่ได้รับการดัดแปลงพันธุกรรม(เช่น สำหรับผงโปรตีนที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์) ^{[ 108 ] [ 109 ]}
• การสังเคราะห์เทียมแบบปราศจากเซลล์ (เช่นแป้ง สังเคราะห์ ; ^{[ 110 ] [ 111 ]} )

เซลล์จุลินทรีย์สังเคราะห์แสงถูกนำมาใช้เป็นขั้นตอนในการผลิตใยแมงมุม สังเคราะห์ ^{[ 112 ] [ 113 ]}

คอมพิวเตอร์ชีวภาพหมายถึงระบบชีวภาพที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมซึ่งสามารถดำเนินการได้เหมือนคอมพิวเตอร์ ซึ่งเป็นกระบวนทัศน์ที่โดดเด่นในชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ นักวิจัยได้สร้างและกำหนดลักษณะของเกตตรรกะ หลากหลายชนิด ในสิ่งมีชีวิตหลายชนิด^{[ 114 ]}และสาธิตการคำนวณทั้งแบบอนาล็อกและดิจิทัลในเซลล์ที่มีชีวิต พวกเขาสาธิตให้เห็นว่าแบคทีเรียสามารถได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมให้ดำเนินการคำนวณทั้งแบบอนาล็อกและ/หรือดิจิทัลได้^{[ 115 ] [ 116 ]}ในปี 2550 การวิจัยในเซลล์มนุษย์ได้สาธิตตัวประเมินตรรกะสากลที่ทำงานในเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม^{[ 117 ]}ต่อมา นักวิจัยได้ใช้กระบวนทัศน์นี้เพื่อสาธิตการบำบัดตามแนวคิดที่ใช้การคำนวณดิจิทัลทางชีวภาพเพื่อตรวจจับและฆ่าเซลล์มะเร็งของมนุษย์ในปี 2554 ^{[ 118 ]}ในปี 2559 นักวิจัยอีกกลุ่มหนึ่งได้สาธิตให้เห็นว่าหลักการของวิศวกรรมคอมพิวเตอร์สามารถนำมาใช้ในการออกแบบวงจรดิจิทัลในเซลล์แบคทีเรียโดยอัตโนมัติได้^{[ 119 ]}ในปี 2017 นักวิจัยได้สาธิตระบบ 'ตรรกะบูลีนและเลขคณิตผ่านการตัดดีเอ็นเอ' (BLADE) เพื่อสร้างการคำนวณดิจิทัลในเซลล์มนุษย์^{[ 120 ]}ในปี 2019 นักวิจัยได้นำเพอร์เซปตรอน มาใช้ ในระบบชีวภาพ ซึ่งเป็นการเปิดทางให้กับการเรียนรู้ของเครื่องในระบบเหล่านี้^{[ 121 ]}

เซลล์ใช้ยีนและโปรตีนที่ทำงานร่วมกัน ซึ่งเรียกว่าวงจรยีน เพื่อทำหน้าที่หลากหลาย เช่น การตอบสนองต่อสัญญาณจากสิ่งแวดล้อม การตัดสินใจ และการสื่อสาร ส่วนประกอบสำคัญสามอย่างได้แก่ DNA, RNA และโปรตีน นักชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ได้ออกแบบวงจรยีนที่สามารถควบคุมการแสดงออกของยีนได้หลายระดับ รวมถึงระดับการถอดรหัส ระดับหลังการถอดรหัส และระดับการแปลรหัส

วิศวกรรมเมตาบอลิซึมแบบดั้งเดิมได้รับการสนับสนุนจากการนำยีนต่างประเทศหลายชนิดมาผสมผสานกันและปรับให้เหมาะสมโดยวิวัฒนาการแบบกำหนดทิศทาง ซึ่งรวมถึงการดัดแปลงพันธุกรรมE. coliและยีสต์เพื่อการผลิตเชิงพาณิชย์ของสารตั้งต้นของยาต้านมาลาเรีย อา ร์เทมิซินิน^{[ 122 ]}

ยังไม่มีการสร้างสิ่งมีชีวิตทั้งหมดขึ้นมาใหม่ตั้งแต่ต้น แม้ว่าเซลล์ที่มีชีวิตจะสามารถเปลี่ยนแปลงได้ด้วย DNA ใหม่ก็ตาม มีหลายวิธีที่ช่วยให้สามารถสร้างส่วนประกอบ DNA สังเคราะห์และแม้แต่จีโนมสังเคราะห์ ทั้งหมด ได้ แต่เมื่อได้รหัสพันธุกรรมที่ต้องการแล้ว จะถูกรวมเข้ากับเซลล์ที่มีชีวิตซึ่งคาดว่าจะแสดงความสามารถหรือฟีโนไทป์ ใหม่ที่ต้องการ ในขณะที่เจริญเติบโตและอยู่รอด^{[ 123 ]}การเปลี่ยนแปลงเซลล์ใช้ในการสร้างวงจรชีวภาพซึ่งสามารถจัดการเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ต้องการ^{[ 12 ] [ 13 ]}

ด้วยการบูรณาการชีววิทยาเชิงสังเคราะห์เข้ากับวิทยาศาสตร์วัสดุจะสามารถใช้เซลล์เป็นโรงหล่อโมเลกุลขนาดเล็กเพื่อผลิตวัสดุที่มีคุณสมบัติที่เข้ารหัสทางพันธุกรรมได้ การปรับปรุงโครงสร้างใหม่ได้สร้างเส้นใย Curli ซึ่ง เป็นส่วนประกอบ อะไมลอยด์ของวัสดุนอกเซลล์ของไบโอฟิล์มให้เป็นแพลตฟอร์มสำหรับนาโนวัสดุ ที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ เส้นใยนาโนเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นทางพันธุกรรมเพื่อทำหน้าที่เฉพาะ รวมถึงการยึดเกาะกับพื้นผิว การสร้างแบบจำลองอนุภาคนาโน และการตรึงโปรตีน^{[ 124 ]}

โปรตีนธรรมชาติสามารถถูกออกแบบได้ ตัวอย่างเช่น โดยวิวัฒนาการแบบกำหนดทิศทางสามารถสร้างโครงสร้างโปรตีนใหม่ที่ตรงกับหรือปรับปรุงการทำงานของโปรตีนที่มีอยู่ได้ กลุ่มหนึ่งสร้างมัดเกลียวที่สามารถจับออกซิเจน ได้ ด้วยคุณสมบัติคล้ายกับฮีโมโกลบินแต่ไม่จับคาร์บอนมอนอกไซด์^{[ 126 ]} โครงสร้างโปรตีนที่คล้ายกันถูกสร้างขึ้นเพื่อรองรับ กิจกรรมออกซิโดรีดักเทสที่หลากหลาย^{[ 127 ]} ในขณะที่อีกกลุ่มหนึ่งสร้าง ATPaseที่มีโครงสร้างและลำดับใหม่^{[ 128 ]}อีกกลุ่มหนึ่งสร้างตระกูลของตัวรับที่เชื่อมโยงกับโปรตีน G ที่สามารถถูกกระตุ้นได้ด้วยโมเลกุลขนาดเล็กเฉื่อยอย่าง^โคลซาพีน เอ็น-ออกไซด์แต่ไม่ไวต่อลิแกนด์ดั้งเดิมอย่างอะเซทิลโคลีนตัวรับเหล่านี้รู้จักกันในชื่อDREADDs ^[ 129 ^]ฟังก์ชันการทำงานใหม่หรือความจำเพาะของโปรตีนยังสามารถออกแบบได้โดยใช้แนวทางการคำนวณ การศึกษาหนึ่งสามารถใช้วิธีการคำนวณที่แตกต่างกันสองวิธี ได้แก่ วิธีชีวสารสนเทศและการสร้างแบบจำลองโมเลกุลเพื่อขุดค้นฐานข้อมูลลำดับ และวิธีออกแบบเอนไซม์ด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อตั้งโปรแกรมความจำเพาะของเอนไซม์ใหม่ ทั้งสองวิธีส่งผลให้ได้เอนไซม์ที่ออกแบบแล้วซึ่งมีความจำเพาะมากกว่า 100 เท่าสำหรับการผลิตแอลกอฮอล์สายยาวจากน้ำตาล^{[ 130 ]}

การตรวจสอบทั่วไปอีกอย่างหนึ่งคือการขยายชุดกรดอะมิโน 20 ชนิดตามธรรมชาติ หากไม่นับรหัสหยุด จะมีการระบุรหัสได้ 61 รหัสแต่โดยทั่วไปแล้วจะมีกรดอะมิโนเพียง 20 ชนิดเท่านั้นที่ถูกเข้ารหัสในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด มีการดัดแปลงรหัสบางรหัสเพื่อเข้ารหัสกรดอะมิโนทางเลือกอื่นๆ รวมถึงกรดอะมิโนที่ไม่เป็นมาตรฐาน เช่น โอ-เมทิลไทโรซีนหรือกรดอะมิโนจากภายนอก เช่น 4-ฟลูออโรฟีนิลอะลานีน โดยทั่วไป โครงการเหล่านี้จะใช้ คู่ tRNA ยับยั้งรหัสหยุด - อะมิโนเอซิล tRNA ซินเทสจากสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ที่ถูกเข้ารหัสใหม่ แม้ว่าในกรณีส่วนใหญ่จะต้องมีการดัดแปลงทางวิศวกรรมอย่างมากก็ตาม^{[ 131 ]}

นักวิจัยคนอื่นๆ ได้ศึกษาโครงสร้างและหน้าที่ของโปรตีนโดยการลดจำนวนกรดอะมิโนปกติจาก 20 ชนิด มีการสร้างไลบรารีลำดับโปรตีนแบบจำกัดโดยการสร้างโปรตีนที่กลุ่มของกรดอะมิโนอาจถูกแทนที่ด้วยกรดอะมิโนเพียงชนิดเดียว^{[ 132 ]}ตัวอย่างเช่น กรดอะมิโน ที่ไม่มีขั้ว หลายชนิด ภายในโปรตีนสามารถถูกแทนที่ด้วยกรดอะมิโนที่ไม่มีขั้วเพียงชนิดเดียวได้^{[ 133 ]}โครงการหนึ่งแสดงให้เห็นว่าChorismate mutase เวอร์ชันที่ได้รับการดัดแปลงทางวิศวกรรม ยังคงมีกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาเมื่อใช้กรดอะมิโนเพียงเก้าชนิด^{[ 134 ]}

นักวิจัยและบริษัทต่างๆ ใช้ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ในการสังเคราะห์เอนไซม์อุตสาหกรรมที่มีกิจกรรมสูง ผลผลิตที่เหมาะสม และประสิทธิภาพ เอนไซม์ที่สังเคราะห์ขึ้นเหล่านี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อปรับปรุงผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น ผงซักฟอกและผลิตภัณฑ์นมปราศจากแลคโตส รวมถึงทำให้มีต้นทุนที่คุ้มค่ามากขึ้น^{[ 135 ]}การปรับปรุงวิศวกรรมเมตาบอลิซึมโดยชีววิทยาเชิงสังเคราะห์เป็นตัวอย่างหนึ่งของเทคนิคทางเทคโนโลยีชีวภาพที่ใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อค้นหายาและสารเคมีหมัก ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์อาจตรวจสอบระบบเส้นทางแบบโมดูลาร์ในการผลิตทางชีวเคมีและเพิ่มผลผลิตของการผลิตเมตาบอลิซึม กิจกรรมของเอนไซม์เทียมและผลกระทบที่ตามมาต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเมตาบอลิซึมและผลผลิตอาจพัฒนา "กลยุทธ์ใหม่ที่มีประสิทธิภาพสำหรับการปรับปรุงคุณสมบัติของเซลล์ ... สำหรับการผลิตทางชีวเคมีที่สำคัญในอุตสาหกรรม" ^{[ 136 ]}

นักวิทยาศาสตร์สามารถเข้ารหัสข้อมูลดิจิทัลลงบนสายดีเอ็นเอสังเคราะห์ เส้นเดียว ได้ ในปี 2012 George M. Churchได้เข้ารหัสหนังสือเล่มหนึ่งของเขาเกี่ยวกับชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ลงในดีเอ็นเอ ข้อมูลขนาด 5.3 เมกะไบต์นั้นมากกว่าข้อมูลจำนวนมากที่สุดที่เคยจัดเก็บในดีเอ็นเอสังเคราะห์ถึง 1,000 เท่า^{[ 137 ]}โครงการที่คล้ายกันนี้ได้เข้ารหัสบทกวีโซเน็ต ทั้งหมด ของวิลเลียม เชกสเปียร์ลงในดีเอ็นเอ^{[ 138 ]}โดยทั่วไปแล้ว อัลกอริทึมต่างๆ เช่น NUPACK ^{[ 139 ]} ViennaRNA ^{[ 140 ]} Ribosome Binding Site Calculator ^{[ 141 ]} Cello ^{[ 119 ]}และ Non-Repetitive Parts Calculator ^{[ 142 ]}ช่วยให้สามารถออกแบบระบบพันธุกรรมใหม่ได้

มีการพัฒนาเทคโนโลยีมากมายสำหรับการรวม นิวคลีโอไทด์ และกรดอะมิโนที่ไม่เป็นธรรมชาติ เข้ากับกรดนิวคลีอิกและโปรตีน ทั้งในหลอดทดลองและในร่างกาย ตัวอย่างเช่น ในเดือนพฤษภาคม 2014 นักวิจัยได้ประกาศว่าพวกเขาประสบความสำเร็จในการนำนิวคลีโอ ไทด์ เทียมใหม่สองชนิด เข้าสู่ดีเอ็นเอของแบคทีเรีย โดยการรวมนิวคลีโอไทด์เทียมแต่ละชนิดลงในอาหารเลี้ยงเชื้อ พวกเขาสามารถแลกเปลี่ยนแบคทีเรียได้ 24 ครั้ง พวกเขาไม่ได้สร้างmRNAหรือโปรตีนที่สามารถใช้นิวคลีโอไทด์เทียมได้^{[ 143 ] [ 144 ] [ 145 ]}

ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ดึงดูด ความสนใจ ของ NASAเนื่องจากสามารถช่วยผลิตทรัพยากรสำหรับนักบินอวกาศจากสารประกอบจำนวนจำกัดที่ส่งมาจากโลก^{[ 146 ] [ 147 ] [ 148 ]}โดยเฉพาะอย่างยิ่งบนดาวอังคาร ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์สามารถนำไปสู่กระบวนการผลิตที่ใช้ทรัพยากรในท้องถิ่น ทำให้เป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการพัฒนาฐานปฏิบัติการที่มีการพึ่งพาโลกน้อยลง^{[ 146 ]}มีการทำงานเพื่อพัฒนาสายพันธุ์พืชที่สามารถรับมือกับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงของดาวอังคาร โดยใช้เทคนิคที่คล้ายคลึงกับที่ใช้ในการเพิ่มความทนทานต่อปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมบางอย่างในพืชผลทางการเกษตร^{[ 149 ]}

หัวข้อสำคัญอย่างหนึ่งในชีววิทยาเชิงสังเคราะห์คือชีวิตเชิงสังเคราะห์ซึ่งเกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตสมมติที่สร้างขึ้นในหลอดทดลองจากโมเลกุลชีวภาพและ/หรือสารเคมีที่คล้ายคลึงกันการทดลองเกี่ยวกับชีวิตเชิงสังเคราะห์พยายามที่จะสำรวจต้นกำเนิดของชีวิตศึกษาคุณสมบัติบางอย่างของชีวิต หรือที่ทะเยอทะยานกว่านั้นคือการสร้างชีวิตขึ้นใหม่จากส่วนประกอบที่ไม่มีชีวิต ( อะไบโอติก ) ชีววิทยาชีวิตเชิงสังเคราะห์พยายามสร้างสิ่งมีชีวิตที่สามารถทำหน้าที่สำคัญได้ ตั้งแต่การผลิตยาไปจนถึงการกำจัดสารพิษในดินและน้ำที่ปนเปื้อน^{[ 151 ]}ในทางการแพทย์ ชีววิทยาชีวิตเชิงสังเคราะห์เสนอโอกาสในการใช้ชิ้นส่วนชีวภาพที่ออกแบบมาเป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการบำบัดและเครื่องมือวินิจฉัยโรคแบบใหม่^{[ 151 ]}

เซลล์เทียมที่มีชีวิตได้รับการนิยามว่าเป็นเซลล์สังเคราะห์อย่างสมบูรณ์ที่สามารถดักจับพลังงานรักษาระดับความเข้มข้นของไอออนบรรจุโมเลกุลขนาด ใหญ่ ตลอดจนเก็บข้อมูลและมีความสามารถใน การ กลายพันธุ์^{[ 152 ]}มีการกล่าวอ้างว่าสิ่งนี้จะทำได้ยาก^{[ 152 ]}แม้ว่านักวิจัยจะสร้างเซลล์เทียมที่เป็นไปได้ขึ้นมาแล้วก็ตาม^{[ 153 ]}

ในปี 2010 Craig Venterได้สร้างโครโมโซมแบคทีเรียสังเคราะห์ขึ้นอย่างสมบูรณ์และทีมของเขาได้นำโครโมโซมดังกล่าวไปใส่ในเซลล์โฮสต์แบคทีเรียที่ถูกทำให้ว่างเปล่าทางจีโนม^{[ 19 ]}เซลล์โฮสต์สามารถเจริญเติบโตและจำลองตัว เองได้ ^{[ 154 ] [ 155 ]} Mycoplasma laboratoriumเป็นสิ่งมีชีวิตเพียงชนิดเดียวที่มีจีโนมที่ได้รับการดัดแปลงอย่างสมบูรณ์

สิ่งมีชีวิตชนิดแรกที่มีรหัส DNA ขยายแบบ 'เทียม' ได้รับการนำเสนอในปี 2014 โดยทีมงานใช้E. coli ที่สกัด ^จีโนมออกและแทนที่ด้วยโครโมโซมที่มีรหัสพันธุกรรมที่ขยายออกนิวคลีโอไซด์ที่เพิ่มเข้ามาคือd5SICSและdNaM ^{[ 145} ]

ในเดือนพฤษภาคม 2019 นักวิจัยได้รายงานความพยายามครั้งสำคัญในการสร้าง สิ่งมี ชีวิตสังเคราะห์ รูปแบบใหม่ (อาจเป็นสิ่งมีชีวิตเทียม ) ที่สามารถดำรง ชีวิตได้ ซึ่งเป็นสายพันธุ์หนึ่งของแบคทีเรียEscherichia coliโดยการลดจำนวนโคดอนตามธรรมชาติ 64 โคดอนในจีโนม ของแบคทีเรีย ให้เหลือ 59 โคดอนแทน เพื่อเข้ารหัสกรดอะมิโน 20 ชนิด^{[ 25 ] [ 26 ]}

ในปี 2017 ได้มีการเริ่มต้นความร่วมมือวิจัยแบบโอเพ่นซอร์สขนาดใหญ่ระดับนานาชาติBuild-a-Cellเพื่อสร้างเซลล์สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์^{[ 156 ]}ตามมาด้วยองค์กรเซลล์สังเคราะห์ระดับชาติในหลายประเทศ รวมถึง FabriCell ^{[ 157 ]} MaxSynBio ^{[ 158 ]}และ BaSyC ^{[ 159 ]}ความพยายามในการสร้างเซลล์สังเคราะห์ในยุโรปได้รวมเป็นหนึ่งเดียวในปี 2019 ในชื่อโครงการ SynCellEU ^{[ 160 ]}

ในปี 2023 นักวิจัยสามารถสร้างตัวอ่อนมนุษย์สังเคราะห์ตัวแรกที่ได้มาจากเซลล์ต้นกำเนิดได้สำเร็จ^{[ 161 ]}

ในด้านการรักษาโรค ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ได้ประสบความสำเร็จอย่างมากในการเปลี่ยนแปลงและทำให้ขอบเขตการรักษาโรคง่ายขึ้นในช่วงเวลาอันสั้น อันที่จริง แพลตฟอร์มการรักษาใหม่ๆ ตั้งแต่การค้นพบกลไกของโรคและเป้าหมายของยา ไปจนถึงการผลิตและการขนส่งโมเลกุลขนาดเล็ก ล้วนเป็นไปได้ด้วยการออกแบบส่วนประกอบทางชีวภาพอย่างมีเหตุผลและตามแบบจำลอง^{[ 67 ]}

อุปกรณ์ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ได้รับการออกแบบมาเพื่อทำหน้าที่เป็นการบำบัดในการรักษา เป็นไปได้ที่จะควบคุมไวรัสและสิ่งมีชีวิตที่สร้างขึ้นอย่างสมบูรณ์เพื่อกำหนดเป้าหมายเชื้อโรคและเส้นทางของโรคที่เฉพาะเจาะจง ดังนั้น ในการศึกษาอิสระสองครั้ง 91,92 นักวิจัยได้ใช้แบคทีริโอเฟจที่ได้รับการดัดแปลงทางพันธุกรรมเพื่อต่อสู้กับแบคทีเรียที่ดื้อต่อยาปฏิชีวนะโดยการให้คุณสมบัติทางพันธุกรรมที่กำหนดเป้าหมายและขัดขวางการป้องกันของแบคทีเรียต่อกิจกรรมของยาปฏิชีวนะโดยเฉพาะ^{[ 67 ]}

ในการรักษาโรคมะเร็งเนื่องจากยาแผนปัจจุบันมักจะมุ่งเป้าไปที่เนื้องอกและเนื้อเยื่อปกติโดยไม่เลือกปฏิบัติ ไวรัสและสิ่งมีชีวิตที่สร้างขึ้นโดยเทียมซึ่งสามารถระบุและเชื่อมโยงการกระทำในการรักษาเข้ากับสัญญาณทางพยาธิวิทยาอาจเป็นประโยชน์ ตัวอย่างเช่น กิจกรรมของเส้นทาง p53ในเซลล์มนุษย์ถูกใส่เข้าไปในอะดีโนไวรัสเพื่อควบคุมการจำลองตัวเอง^{[ 67 ]}

แบคทีเรียถูกนำมาใช้ในการรักษามะเร็งมานานแล้ว แบคทีเรียBifidobacteriumและClostridiumสามารถเข้าไปอาศัยอยู่ในเนื้องอกและลดขนาดของเนื้องอกได้^{[ 162 ]}เมื่อไม่นานมานี้ นักชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ได้ทำการตั้งโปรแกรมแบคทีเรียใหม่ให้สามารถรับรู้และตอบสนองต่อสภาวะของมะเร็งบางชนิดได้ โดยส่วนใหญ่แล้ว แบคทีเรียจะถูกใช้เพื่อส่งโมเลกุลบำบัดไปยังเนื้องอกโดยตรงเพื่อลดผลข้างเคียงที่ไม่ตรงเป้าหมาย ในการกำหนดเป้าหมายเซลล์เนื้องอกนั้นเปปไทด์ที่สามารถจดจำเนื้องอกได้อย่างเฉพาะเจาะจงจะถูกแสดงออกบนพื้นผิวของแบคทีเรีย เปปไทด์ที่ใช้ ได้แก่โมเลกุล affibodyที่กำหนดเป้าหมายตัวรับปัจจัยการเจริญเติบโตของผิวหนังมนุษย์2 โดยเฉพาะ ^{[ 163 ]}และadhesinสังเคราะห์^{[ 164 ]}อีกวิธีหนึ่งคือการอนุญาตให้แบคทีเรียรับรู้สภาพแวดล้อมจุลภาคของเนื้องอกเช่น ภาวะขาดออกซิเจน โดยการสร้างเกตตรรกะ AND เข้าไปในแบคทีเรีย^{[ 165 ]}จากนั้นแบคทีเรียจะปล่อยโมเลกุลบำบัดเป้าหมายไปยังเนื้องอกผ่านทางการสลายตัว^{[ 166 ]}หรือระบบการหลั่งของแบคทีเรียเท่านั้น^{[ 167 ]}การสลายตัวมีข้อดีคือสามารถกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกันและควบคุมการเจริญเติบโตได้ สามารถใช้ระบบการหลั่งหลายประเภทและกลยุทธ์อื่นๆ ได้เช่นกัน ระบบนี้สามารถเหนี่ยวนำได้ด้วยสัญญาณภายนอก ตัวเหนี่ยวนำได้แก่ สารเคมี คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หรือคลื่นแสง

มีการใช้แบคทีเรียหลายสายพันธุ์และหลายชนิดในการบำบัดรักษาเหล่านี้ แบคทีเรียที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่Salmonella typhimurium , Escherichia coli , Bifidobacteria , Streptococcus , Lactobacillus , ListeriaและBacillus subtilisแบคทีเรียแต่ละชนิดมีคุณสมบัติเฉพาะตัวและมีความพิเศษในการรักษาโรคมะเร็งในแง่ของการเกาะติดเนื้อเยื่อ การมีปฏิสัมพันธ์กับระบบภูมิคุ้มกัน และความง่ายในการใช้งาน

แพลตฟอร์มที่ใช้ยีสต์เป็นพื้นฐานที่ได้รับการดัดแปลงทางวิศวกรรม

นักชีววิทยาเชิงสังเคราะห์กำลังพัฒนาเชื้อยีสต์ที่มีชีวิตที่ได้รับการดัดแปลงทางพันธุกรรมซึ่งสามารถส่งมอบยาชีวภาพเพื่อการรักษาได้ เมื่อรับประทานทางปาก เชื้อยีสต์ที่มีชีวิตเหล่านี้จะทำหน้าที่เหมือนโรงงานขนาดเล็กและจะสร้างโมเลกุลเพื่อการรักษาโดยตรงในระบบทางเดินอาหาร เนื่องจากยีสต์เป็นยูคาริโอต ประโยชน์ที่สำคัญคือสามารถให้ร่วมกับยาปฏิชีวนะได้ ยีสต์โปรไบโอติกที่แสดงตัวรับพิวริเนอร์จิก P2Y2 ของมนุษย์สามารถยับยั้งการอักเสบในลำไส้ในแบบจำลองหนูที่เป็นโรคอักเสบในลำไส้^{[ 168 ]} ได้มีการพัฒนาเชื้อยีสต์ S. boulardiiที่มีชีวิตซึ่งส่งมอบสารต้านพิษแบบเฉพาะเจาะจงสี่ชนิดที่สามารถยับยั้งพิษ A และพิษ B ของClostridioides difficile ได้อย่าง มีประสิทธิภาพ สารต้านพิษเพื่อการรักษานี้เป็นการรวมกันของแอนติบอดีแบบโดเมนเดี่ยวสี่ตัว ( นาโนบอดี ) ที่สามารถยับยั้งปัจจัยก่อโรคหลักสองประการของ C. difficile ได้อย่างมีประสิทธิภาพและครอบคลุม ณ บริเวณที่ติดเชื้อในแบบจำลองก่อนคลินิก^{[ 169 ]}การทดลองทางคลินิกครั้งแรกในมนุษย์ของยีสต์มีชีวิตที่ได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมเพื่อรักษาการติดเชื้อ Clostridioides difficileคาดว่าจะเกิดขึ้นในปี 2024 และจะได้รับการสนับสนุนโดยผู้พัฒนาFzata, Inc.

ระบบภูมิคุ้มกันมีบทบาทสำคัญในโรคมะเร็งและสามารถนำมาใช้โจมตีเซลล์มะเร็งได้ การรักษาด้วยเซลล์มุ่งเน้นไปที่การรักษาด้วยภูมิคุ้มกันบำบัดโดยส่วนใหญ่เป็นการดัดแปลงเซลล์ T

ตัวรับทีเซลล์ได้รับการออกแบบและ 'ฝึกฝน' เพื่อตรวจจับเอพิโทปของมะเร็งตัวรับแอนติเจนแบบไคเมอริก (CARs) ประกอบด้วยชิ้นส่วนของแอนติบอดีที่หลอมรวมกับโดเมนการส่งสัญญาณทีเซลล์ภายในเซลล์ ซึ่งสามารถกระตุ้นและเร่งการแพร่กระจายของเซลล์ได้ การบำบัดด้วย CAR รุ่นที่สองหลายรายการได้รับการอนุมัติจาก FDA แล้ว^{[ 170 ]}

สวิตช์ยีนได้รับการออกแบบเพื่อเพิ่มความปลอดภัยของการรักษา สวิตช์ฆ่าได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อยุติการบำบัดหากผู้ป่วยแสดงอาการข้างเคียงที่รุนแรง^{[ 171 ]}กลไกสามารถควบคุมระบบได้อย่างละเอียดมากขึ้น และหยุดและเปิดใช้งานใหม่ได้^{[ 172 ] [ 173 ]}เนื่องจากจำนวนเซลล์ T มีความสำคัญต่อความคงอยู่และความรุนแรงของการบำบัด การเจริญเติบโตของเซลล์ T จึงถูกควบคุมเพื่อปรับระดับประสิทธิภาพและความปลอดภัยของการบำบัด^{[ 174 ]}

แม้ว่าจะมีกลไกหลายอย่างที่สามารถปรับปรุงความปลอดภัยและการควบคุมได้ แต่ข้อจำกัดต่างๆ ได้แก่ ความยากลำบากในการเหนี่ยวนำวงจรดีเอ็นเอขนาดใหญ่เข้าไปในเซลล์ และความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับการนำส่วนประกอบแปลกปลอม โดยเฉพาะโปรตีน เข้าไปในเซลล์

เชื้อเพลิงชีวภาพที่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือเอทานอลที่ผลิตจากข้าวโพดหรืออ้อย แต่กระบวนการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพนี้ยุ่งยากและมีข้อจำกัดเนื่องจากต้นทุนทางการเกษตรสูงและคุณสมบัติของเชื้อเพลิงเอทานอลไม่เพียงพอ แหล่งพลังงานทดแทนและแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่มีศักยภาพคือจุลินทรีย์ที่ได้รับการปรับเปลี่ยนกระบวนการเผาผลาญเพื่อให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการเปลี่ยนชีวมวลเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ จะคาดหวังได้ว่าเทคนิคเหล่านี้จะประสบความสำเร็จก็ต่อเมื่อต้นทุนการผลิตสามารถเทียบเท่าหรือต่ำกว่าต้นทุนการผลิตเชื้อเพลิงในปัจจุบันเท่านั้น ที่เกี่ยวข้องกับเรื่องนี้ มียาหลายชนิดที่มีกระบวนการผลิตที่มีราคาแพงซึ่งทำให้ไม่สามารถนำไปใช้ในการรักษาได้อย่างกว้างขวาง การสร้างวัสดุใหม่และการผลิตวัสดุชีวภาพโดยใช้จุลินทรีย์จะได้รับประโยชน์อย่างมากจากเครื่องมือทางชีววิทยาเทียมแบบใหม่^{[ 67 ]}

ระบบ CRISPR/CRISPR associated (Cas) เป็นวิธีการทางวิศวกรรมจีโนมที่มีประสิทธิภาพในสิ่งมีชีวิตหลากหลายชนิด เนื่องจากมีความเรียบง่าย เป็นแบบโมดูลาร์ และปรับขนาดได้ ในเทคนิคนี้ RNA นำทาง (gRNA) จะดึงดูดนิวคลีเอส Cas9 ของ CRISPR ไปยังจุดเฉพาะในจีโนม ทำให้เกิดการแตกของสายคู่ กระบวนการซ่อมแซม DNA หลายอย่าง รวมถึงการรวมตัวใหม่แบบกำหนดทิศทางตามความเหมือนกันและการเชื่อมต่อปลายที่ไม่เหมือนกัน สามารถนำมาใช้เพื่อทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจีโนมที่ต้องการ (เช่น การลบหรือการแทรกยีน) นอกจากนี้ dCas9 (Cas9 ที่ตายแล้วหรือ Cas9 ที่ขาดนิวคลีเอส) ซึ่งเป็น Cas9 กลายพันธุ์คู่ (H840A, D10A) ได้ถูกนำมาใช้เพื่อควบคุมการแสดงออกของยีนในแบคทีเรีย หรือเมื่อเชื่อมโยงกับการกระตุ้นตำแหน่งการยับยั้งในยีสต์^{[ 175 ]}

ในการสร้างและพัฒนาระบบชีวภาพ ส่วนประกอบควบคุมต่างๆ รวมถึงตัวควบคุม ตำแหน่งการจับไรโบโซม (RBS) และเทอร์มิเนเตอร์มีความสำคัญอย่างยิ่ง แม้ว่าจะมีการศึกษามาหลายปีแล้ว แต่ก็ยังมีโปรโมเตอร์และเทอร์มิเนเตอร์หลากหลายชนิดและจำนวนมากสำหรับ Escherichia coli และสำหรับสิ่งมีชีวิตต้นแบบที่ได้รับการวิจัยอย่างดีอย่าง Saccharomyces cerevisiae รวมถึงสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ที่น่าสนใจ เครื่องมือเหล่านี้ค่อนข้างหายาก มีการคิดค้นเทคนิคมากมายสำหรับการค้นหาและระบุโปรโมเตอร์และเทอร์มิเนเตอร์เพื่อเอาชนะข้อจำกัดนี้ รวมถึงการขุดค้นจีโนม การกลายพันธุ์แบบสุ่ม วิศวกรรมไฮบริด การสร้างแบบจำลองทางชีวฟิสิกส์ การออกแบบเชิงผสมผสาน และการออกแบบอย่างมีเหตุผล^{[ 175 ]}

ชีววิทยาสังเคราะห์ถูกนำมาใช้สำหรับออร์แกนอยด์ซึ่งเป็นอวัยวะที่เพาะเลี้ยงในห้องปฏิบัติการเพื่อนำไปประยุกต์ใช้ในการวิจัยทางการแพทย์และการปลูกถ่าย^{[ 176 ]}

การพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติสามารถใช้ในการสร้างเนื้อเยื่อขึ้นใหม่จากบริเวณต่างๆ ของร่างกายได้ จุดเริ่มต้นของการนำการพิมพ์ 3 มิติมาใช้ในด้านการดูแลสุขภาพคือการทดลองหลายครั้งที่ดำเนินการโดยนักวิจัยที่โรงพยาบาลเด็กบอสตัน ทีมงานได้สร้างกระเพาะปัสสาวะเทียมขึ้นใหม่ด้วยมือสำหรับผู้ป่วย 7 ราย โดยการสร้างโครงสร้าง จากนั้นจึงวางเซลล์จากผู้ป่วยลงบนโครงสร้างและปล่อยให้เซลล์เจริญเติบโต การทดลองประสบความสำเร็จเนื่องจากผู้ป่วยยังคงมีสุขภาพดีเป็นเวลา 7 ปีหลังจากการปลูกถ่าย ซึ่งนำไปสู่การที่นักวิจัยชื่อ Anthony Atala, MD ค้นหาวิธีการทำให้กระบวนการนี้เป็นไปโดยอัตโนมัติ^{[ 177 ]}ปัจจุบันผู้ป่วยที่เป็นโรคกระเพาะปัสสาวะระยะสุดท้ายสามารถรักษาได้โดยใช้เนื้อเยื่อกระเพาะปัสสาวะที่สร้างขึ้นทางชีววิศวกรรมเพื่อสร้างอวัยวะที่เสียหายขึ้นใหม่^{[ 178 ]}เทคโนโลยีนี้ยังสามารถนำไปใช้กับกระดูก ผิวหนัง กระดูกอ่อน และเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อได้ อีกด้วย ^{[ 179 ]}แม้ว่าเป้าหมายระยะยาวประการหนึ่งของเทคโนโลยีการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติคือการสร้างอวัยวะขึ้นใหม่ทั้งหมดและลดปัญหาการขาดแคลนอวัยวะสำหรับการปลูกถ่าย^{[ 180 ]}การพิมพ์ชีวภาพของอวัยวะที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ เช่น ตับ ผิวหนัง กระดูกอ่อนข้อเข่า หรือตับอ่อน ประสบความสำเร็จเพียงเล็กน้อย^{[ 181 ] [ 182 ] [ 183 ]}แตกต่างจากสเตนต์ที่ฝังได้ อวัยวะมีรูปร่างที่ซับซ้อนและยากต่อการพิมพ์ชีวภาพอย่างมาก ตัวอย่างเช่น หัวใจที่พิมพ์ด้วยชีวภาพไม่เพียงแต่ต้องตรงตามข้อกำหนดด้านโครงสร้างเท่านั้น แต่ยังต้องตรงตามข้อกำหนดด้านการสร้างหลอดเลือด การรับน้ำหนักเชิงกล และการแพร่กระจายสัญญาณไฟฟ้าด้วย^{[ 184 ]} ในปี 2022 มีการรายงานความสำเร็จครั้งแรกของการทดลองทางคลินิกสำหรับการปลูกถ่ายที่พิมพ์ด้วยชีวภาพ 3 มิติที่ทำจากเซลล์ของผู้ป่วยเอง ซึ่งเป็นใบหูชั้นนอกเพื่อรักษาภาวะไมโครเทีย [ ^{185 ] [ 186 ] ข้อ}จำกัดของการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติเกี่ยวข้องกับสัณฐานวิทยาที่ไม่เกี่ยวข้องทางสรีรวิทยาและวิธีการประเมินทางเนื้อเยื่อวิทยาที่ไม่ประสบความสำเร็จ^{[ 187 ] [ 188 ]}

การพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติมีส่วนช่วยให้เกิดความก้าวหน้าอย่างมากในสาขาวิศวกรรมเนื้อเยื่อ ทางการแพทย์ โดยทำให้สามารถทำการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุที่เป็นนวัตกรรมใหม่ที่เรียกว่าวัสดุชีวภาพได้สารชีวภาพที่โดดเด่นที่สุดบางชนิดมักจะแข็งแรงกว่าวัสดุในร่างกายโดยเฉลี่ย รวมถึงเนื้อเยื่ออ่อนและกระดูก ส่วนประกอบเหล่านี้สามารถทำหน้าที่เป็นสารทดแทนในอนาคต หรือแม้แต่การปรับปรุงวัสดุในร่างกายดั้งเดิมได้ นอกจากนี้หน่วยงานลดภัยคุกคามด้านการป้องกันประเทศยังตั้งเป้าที่จะพิมพ์อวัยวะขนาดเล็ก เช่น หัวใจ ตับ และปอด เพื่อทดสอบยาใหม่ได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น และอาจช่วยลดความจำเป็นในการทดสอบในสัตว์ได้^{[ 189 ]}

ปัจจุบันมีการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับวิธีการทางชีววิทยาเชิงสังเคราะห์เพื่อกระตุ้นการสร้างใหม่ในมนุษย์รวมถึงการสร้างอวัยวะเทียม ที่สามารถปลูกถ่าย ได้

ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์สามารถใช้ในการสร้างอนุภาคนาโนซึ่งสามารถใช้ในการส่งยาและเพื่อวัตถุประสงค์อื่นๆ ได้^{[ 190 ]}การวิจัยและพัฒนาที่เสริมกันนั้นมุ่งที่จะสร้างเซลล์สังเคราะห์ที่เลียนแบบการทำงานของเซลล์ชีวภาพ การประยุกต์ใช้รวมถึงทางการแพทย์ เช่นอนุภาคนาโนที่ออกแบบมา เพื่อให้เซลล์เม็ดเลือดกัดกินส่วนต่างๆ ของ คราบพลัคหลอดเลือดแดงที่ทำให้เกิดโรคหัวใจวายจากภายในสู่ภายนอก^{[ 191 ] [ 192 ] [ 193 ]} ตัวอย่างเช่น ไมโครดรอปเล็ตสังเคราะห์สำหรับเซลล์สาหร่ายหรือเครื่องปฏิกรณ์จุลินทรีย์ทรงกลม หลายเซลล์แบบเสริมฤทธิ์กันระหว่างสาหร่ายและแบคทีเรีย สามารถใช้ในการผลิตไฮโดรเจนในฐานะเทคโนโลยีชีวภาพเศรษฐกิจไฮโดรเจน ได้ ^{[ 194 ] [ 195 ]}

เซลล์ที่ออกแบบโดยมนุษย์ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมถูกสร้างขึ้นเพื่อให้มีพฤติกรรมเฉพาะ เช่น เซลล์ภูมิคุ้มกันที่แสดงตัวรับสังเคราะห์ที่ออกแบบมาเพื่อต่อสู้กับโรคเฉพาะ^{[ 196 ] [ 197 ]}อิเล็กโทรเจเนติกส์เป็นการประยุกต์ใช้ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ที่เกี่ยวข้องกับการใช้สนามไฟฟ้าเพื่อกระตุ้นการตอบสนองในเซลล์ที่ได้รับการออกแบบ^{[ 198 ]}การควบคุมเซลล์ที่ออกแบบสามารถทำได้ค่อนข้างง่ายโดยใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป เช่น สมาร์ทโฟน นอกจากนี้ อิเล็กโทรเจเนติกส์ยังทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กและกะทัดรัดกว่าอุปกรณ์ที่ใช้การกระตุ้นแบบอื่นโดยใช้ขั้วไฟฟ้าขนาดเล็กได้^{[ 198 ]}ตัวอย่างหนึ่งของการใช้อิเล็กโทรเจเนติกส์เพื่อประโยชน์ต่อสุขภาพของประชาชนคือการกระตุ้นเซลล์ที่ออกแบบซึ่งสามารถผลิต/ส่งมอบยาได้^{[ 199 ]}สิ่งนี้ถูกนำไปใช้ใน เซลล์ _Electro HEK ซึ่งเป็นเซลล์ที่มีช่องแคลเซียมที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าซึ่งไวต่อไฟฟ้า หมายความว่าช่องไอออนสามารถควบคุมได้โดยการนำไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าและ เซลล์ _Electro HEK ^{[ 198 ]}ระดับการแสดงออกของยีนเทียมที่ เซลล์ _Electro HEK เหล่านี้มีอยู่ แสดงให้เห็นว่าสามารถควบคุมได้โดยการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าหรือความยาวของพัลส์ไฟฟ้า การศึกษาเพิ่มเติมได้ขยายระบบที่แข็งแกร่งนี้ โดยหนึ่งในนั้นคือระบบสายเซลล์เบต้าที่ออกแบบมาเพื่อควบคุมการปล่อยอินซูลินโดยอาศัยสัญญาณไฟฟ้า^{[ 200 ]}

การสร้างสิ่งมีชีวิตใหม่และการดัดแปลงสิ่งมีชีวิตที่มีอยู่ได้ก่อให้เกิดข้อกังวลด้านจริยธรรมในสาขาชีววิทยาเชิงสังเคราะห์และกำลังมีการอภิปรายกันอย่างจริงจัง^{[ 201 ] [ 202 ]}

คำถามด้านจริยธรรมที่พบบ่อย ได้แก่:

• การเข้าไปแทรกแซงธรรมชาติเป็นสิ่งที่ถูกต้องตามหลักศีลธรรมหรือไม่?
• การสร้างชีวิตใหม่นั้นถือเป็นการเล่นบทบาทพระเจ้า หรือไม่?
• จะเกิดอะไรขึ้นหากสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์หลุดออกมาโดยไม่ตั้งใจ?
• จะเกิดอะไรขึ้นหากบุคคลหนึ่งนำเทคโนโลยีชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ไปใช้ในทางที่ผิด และสร้างสิ่งที่เป็นอันตราย (เช่น อาวุธชีวภาพ)?
• ใครจะเป็นผู้ควบคุมและเข้าถึงผลิตภัณฑ์จากชีววิทยาเชิงสังเคราะห์?
• ใครจะเป็นผู้ได้รับประโยชน์จากนวัตกรรมเหล่านี้? นักลงทุน? ผู้ป่วย? เกษตรกรอุตสาหกรรม?
• ระบบสิทธิบัตรอนุญาตให้จดสิทธิบัตรสิ่งมีชีวิตหรือไม่ แล้วส่วนต่างๆ ของสิ่งมีชีวิต เช่น ยีนต้านทานเชื้อ HIV ในมนุษย์ล่ะ? ^{[ 203 ]}
• ถ้าหากสิ่งสร้างสรรค์ใหม่นั้นสมควรได้รับสถานะทางศีลธรรมหรือทางกฎหมายล่ะ?

แง่มุมทางจริยธรรมของชีววิทยาเชิงสังเคราะห์มีคุณลักษณะหลัก 3 ประการ ได้แก่ความปลอดภัยทางชีวภาพความมั่นคงทางชีวภาพและการสร้างสิ่งมีชีวิตรูปแบบใหม่^{[ 204 ]}ประเด็นทางจริยธรรมอื่นๆ ที่กล่าวถึง ได้แก่ การควบคุมการสร้างสิ่งใหม่ การจัดการสิทธิบัตรของการสร้างสิ่งใหม่ การกระจายผลประโยชน์ และความซื่อสัตย์ในการวิจัย^{[ 205 ] [ 201 ]}

ประเด็นด้านจริยธรรมได้ปรากฏขึ้นสำหรับ เทคโนโลยี ดีเอ็นเอลูกผสมและสิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรม (GMO) และมีการออกกฎระเบียบที่ครอบคลุมเกี่ยวกับการวิศวกรรมพันธุกรรมและการวิจัยเชื้อโรคในหลายเขตอำนาจศาลเอมี กุตมันน์อดีตหัวหน้าคณะกรรมการชีวจริยธรรมของประธานาธิบดี ได้โต้แย้งว่าเราควรหลีกเลี่ยงการออกกฎระเบียบที่เข้มงวดเกินไปสำหรับชีววิทยาเชิงสังเคราะห์โดยทั่วไป และโดยเฉพาะอย่างยิ่งการวิศวกรรมพันธุกรรม ตามที่กุตมันน์กล่าวว่า "ความประหยัดในการออกกฎระเบียบมีความสำคัญอย่างยิ่งในเทคโนโลยีที่กำลังเกิดขึ้นใหม่...ซึ่งมีแนวโน้มที่จะยับยั้งนวัตกรรมบนพื้นฐานของความไม่แน่นอนและความกลัวต่อสิ่งที่ไม่รู้จัก เครื่องมือที่หยาบกระด้างของการจำกัดทางกฎหมายและกฎระเบียบอาจไม่เพียงแต่ยับยั้งการกระจายผลประโยชน์ใหม่ ๆ เท่านั้น แต่ยังอาจส่งผลเสียต่อความมั่นคงและความปลอดภัยโดยการป้องกันไม่ให้นักวิจัยพัฒนามาตรการป้องกันที่มีประสิทธิภาพ" ^{[ 206 ]}

คำถามทางจริยธรรมข้อหนึ่งคือ การสร้างสิ่งมีชีวิตรูปแบบใหม่ ซึ่งบางครั้งเรียกว่า "การเล่นเป็นพระเจ้า" นั้นเป็นที่ยอมรับได้หรือไม่ ปัจจุบัน การสร้างสิ่งมีชีวิตรูปแบบใหม่ที่ไม่มีอยู่ในธรรมชาติยังอยู่ในระดับเล็ก ประโยชน์และอันตรายที่อาจเกิดขึ้นยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด และมีการพิจารณาและกำกับดูแลอย่างรอบคอบสำหรับงานวิจัยส่วนใหญ่^{[ 201 ]}ผู้สนับสนุนหลายคนแสดงให้เห็นถึงคุณค่าอันมหาศาลที่อาจเกิดขึ้นได้ในด้านการเกษตร การแพทย์ และความรู้ทางวิชาการ รวมถึงสาขาอื่นๆ ของการสร้างสิ่งมีชีวิตเทียม การสร้างสิ่งมีชีวิตใหม่ๆ อาจขยายความรู้ทางวิทยาศาสตร์ไปไกลกว่าสิ่งที่ทราบอยู่ในปัจจุบันจากการศึกษาปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม มีความกังวลว่าสิ่งมีชีวิตเทียมอาจลด "ความบริสุทธิ์" ของธรรมชาติ (เช่น ธรรมชาติอาจถูกทำให้เสื่อมเสียโดยการแทรกแซงและการจัดการของมนุษย์) และอาจส่งผลต่อการนำหลักการทางวิศวกรรมมาใช้มากขึ้น แทนที่จะเป็นอุดมคติที่เน้นความหลากหลายทางชีวภาพและธรรมชาติ บางคนยังกังวลว่าหากปล่อยสิ่งมีชีวิตเทียมออกสู่ธรรมชาติ มันอาจขัดขวางความหลากหลายทางชีวภาพโดยการแย่งชิงทรัพยากรจากสิ่งมีชีวิตตามธรรมชาติ (คล้ายกับที่การแพร่กระจายของสาหร่ายทำให้สิ่งมีชีวิตในทะเลตาย) อีกประเด็นที่น่ากังวลคือ การปฏิบัติต่อสิ่งมีชีวิตที่ถูกสร้างขึ้นใหม่ด้วยความมีจริยธรรม หากพวกมันสามารถรับรู้ความเจ็บปวดความรู้สึก และการรับรู้ตนเอง ได้มีการถกเถียงกันอย่างต่อเนื่องว่าสิ่งมีชีวิตเหล่านั้นควรได้รับสิทธิทางศีลธรรมหรือทางกฎหมายหรือไม่ แม้ว่าจะยังไม่มีข้อสรุปที่แน่ชัดว่าสิทธิเหล่านั้นควรได้รับการบริหารจัดการหรือบังคับใช้อย่างไร

จริยธรรมและเหตุผลทางศีลธรรมที่สนับสนุนการประยุกต์ใช้ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์บางประการ ได้แก่ ศักยภาพในการบรรเทาปัญหาระดับโลกที่สำคัญของผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมที่เป็นอันตรายจากการเกษตร แบบดั้งเดิม (รวมถึงการผลิตเนื้อสัตว์ ) สวัสดิภาพสัตว์ความมั่นคงทางอาหารและสุขภาพของมนุษย์^{[ 207 ] [ 208 ] [ 209 ]} ตลอดจนศักยภาพในการลดความต้องการแรงงานมนุษย์ และผ่านการบำบัดโรค ลดความทุกข์ทรมานของมนุษย์ และยืดอายุขัย

อะไรคือสิ่งที่เหมาะสมที่สุดในเชิงจริยธรรมเมื่อพิจารณามาตรการความปลอดภัยทางชีวภาพ? จะหลีกเลี่ยงการนำสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์เข้าสู่สิ่งแวดล้อมทางธรรมชาติโดยไม่ตั้งใจได้อย่างไร? คำถามเหล่านี้ได้รับการพิจารณาในเชิงจริยธรรมและวิพากษ์วิจารณ์อย่างมาก ความปลอดภัยทางชีวภาพไม่ได้หมายถึงเพียงแค่การควบคุมทางชีวภาพเท่านั้น แต่ยังหมายถึงความก้าวหน้าในการปกป้องสาธารณชนจากสารชีวภาพที่อาจเป็นอันตรายด้วย แม้ว่าข้อกังวลเหล่านี้จะมีความสำคัญและยังไม่มีคำตอบ แต่ไม่ใช่ว่าผลิตภัณฑ์ทางชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ทั้งหมดจะก่อให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับความปลอดภัยทางชีวภาพหรือผลกระทบเชิงลบต่อสิ่งแวดล้อม มีการโต้แย้งว่าเทคโนโลยีสังเคราะห์ส่วนใหญ่ไม่เป็นอันตรายและไม่สามารถเจริญเติบโตในโลกภายนอกได้เนื่องจากลักษณะ "ไม่เป็นธรรมชาติ" ของมัน เพราะยังไม่มีตัวอย่างของจุลินทรีย์ดัดแปลงพันธุกรรมที่ได้รับความได้เปรียบในการเจริญเติบโตในป่า

โดยทั่วไปการควบคุมอันตรายวิธีการประเมินความเสี่ยง และกฎระเบียบที่มีอยู่ซึ่งพัฒนาขึ้นสำหรับสิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรม (GMOs) แบบดั้งเดิม ถือว่าเพียงพอสำหรับสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ วิธี การกักกันทางชีวภาพ แบบ "ภายนอก" ในบริบทของห้องปฏิบัติการ ได้แก่ การกักกันทางกายภาพผ่านตู้ชีวความปลอดภัยและกล่องถุงมือรวมถึงอุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคลในบริบททางการเกษตร วิธีการเหล่านี้รวมถึงระยะห่างในการแยกและ สิ่งกีดขวาง ละอองเกสรดอกไม้คล้ายกับวิธีการกักกันทางชีวภาพของ GMOsสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์อาจมีการควบคุมอันตรายที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากสามารถออกแบบโดยใช้วิธีการกักกันทางชีวภาพแบบ "ภายใน" ที่จำกัดการเจริญเติบโตในสภาพแวดล้อมที่ไม่ถูกกักกัน หรือป้องกันการถ่ายทอดยีนในแนวนอนไปยังสิ่งมีชีวิตตามธรรมชาติ ตัวอย่างของวิธีการกักกันทางชีวภาพแบบภายใน ได้แก่ภาวะขาดสารอาหารกลไกการหยุดทำงาน ทางชีวภาพ ความไม่สามารถของสิ่งมีชีวิตในการจำลองตัวเองหรือส่งต่อยีนที่ดัดแปลงหรือสังเคราะห์ไปยังลูกหลาน และการใช้ สิ่งมีชีวิต ต่างดาวโดยใช้ชีวเคมีทางเลือก ตัวอย่างเช่น การใช้กรดนิวคลีอิกต่างดาวเทียม (XNA) แทน DNA ^{[ 210 ] [ 211 ]}

ประเด็นทางจริยธรรมบางประการเกี่ยวข้องกับความมั่นคงทางชีวภาพ ซึ่งเทคโนโลยีชีวสังเคราะห์อาจถูกนำมาใช้โดยเจตนาเพื่อก่อให้เกิดอันตรายต่อสังคมและ/หรือสิ่งแวดล้อม เนื่องจากชีววิทยาสังเคราะห์ก่อให้เกิดประเด็นทางจริยธรรมและความมั่นคงทางชีวภาพ มนุษยชาติจึงต้องพิจารณาและวางแผนว่าจะจัดการกับสิ่งสร้างที่อาจเป็นอันตรายได้อย่างไร และมาตรการทางจริยธรรมประเภทใดบ้างที่อาจนำมาใช้เพื่อยับยั้งเทคโนโลยีชีวสังเคราะห์ที่เป็นอันตราย ยกเว้นการควบคุมชีววิทยาสังเคราะห์และบริษัทเทคโนโลยีชีวภาพ^{[ 212 ] [ 213 ]}อย่างไรก็ตาม ประเด็นเหล่านี้ไม่ได้ถูกมองว่าเป็นเรื่องใหม่ เพราะเคยถูกหยิบยกขึ้นมาในระหว่าง การถกเถียง เรื่องดีเอ็นเอลูกผสมและสิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรม (GMO) ในอดีต และมีกฎระเบียบที่ครอบคลุมเกี่ยวกับการวิศวกรรมพันธุกรรมและการวิจัยเชื้อโรคอยู่แล้วในหลายเขตอำนาจศาล^{[ 214 ]}

นอกจากนี้ การพัฒนาเครื่องมือชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ทำให้บุคคลที่มีการศึกษา การฝึกอบรม และการเข้าถึงอุปกรณ์น้อยลงสามารถดัดแปลงและใช้สิ่งมีชีวิตที่ก่อโรคเป็นอาวุธชีวภาพได้ง่ายขึ้น ซึ่งเพิ่มภัยคุกคามจากการก่อการร้ายทางชีวภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อกลุ่มก่อการร้ายตระหนักถึงความวุ่นวายทางสังคม เศรษฐกิจ และการเมืองที่สำคัญที่เกิดจากโรคระบาดเช่นCOVID-19เมื่อมีการพัฒนาเทคนิคใหม่ๆ ในสาขาชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ ความเสี่ยงของการก่อการร้ายทางชีวภาพก็มีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง^{[ 215 ]}ฮวน ซาราเต้ ซึ่งดำรงตำแหน่งรองที่ปรึกษาด้านความมั่นคงแห่งชาติฝ่ายต่อต้านการก่อการร้ายตั้งแต่ปี 2005 ถึง 2009 กล่าวว่า "ความรุนแรงและความวุ่นวายอย่างมากของไวรัสโคโรนาสายพันธุ์ใหม่มีแนวโน้มที่จะกระตุ้นจินตนาการของกลุ่มและบุคคลที่มีความคิดสร้างสรรค์และอันตรายที่สุดให้พิจารณาการโจมตีด้วยการก่อการร้ายทางชีวภาพอีกครั้ง" ^{[ 216 ]}

โครงการSYNBIOSAFE ที่ได้รับทุนจากสหภาพยุโรป^{[ 217 ]}ได้ออกรายงานเกี่ยวกับวิธีการจัดการชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ เอกสารฉบับปี 2550 ระบุประเด็นสำคัญในด้านความปลอดภัย ความมั่นคง จริยธรรม และปฏิสัมพันธ์ระหว่างวิทยาศาสตร์กับสังคม ซึ่งโครงการได้กำหนดไว้ว่าเป็นการให้ความรู้แก่สาธารณชนและการสนทนาอย่างต่อเนื่องระหว่างนักวิทยาศาสตร์ ธุรกิจ รัฐบาล และนักจริยธรรม^{[ 218 ] [ 219 ]}ประเด็นสำคัญด้านความปลอดภัยที่ SYNBIOSAFE ระบุนั้นเกี่ยวข้องกับการมีส่วนร่วมกับบริษัทที่ขาย DNA สังเคราะห์และ ชุมชนนักชีววิทยาสมัคร เล่นที่ทำการแฮ็กชีวภาพประเด็นสำคัญด้านจริยธรรมเกี่ยวข้องกับการสร้างสิ่งมีชีวิตรูปแบบใหม่

รายงานฉบับต่อมามุ่งเน้นไปที่ความปลอดภัยทางชีวภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความท้าทายที่เรียกว่าการใช้งานแบบสองด้านตัวอย่างเช่น ในขณะที่ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์อาจนำไปสู่การผลิตการรักษาทางการแพทย์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่ก็อาจนำไปสู่การสังเคราะห์หรือการดัดแปลงเชื้อโรคที่เป็นอันตราย (เช่นโรคฝีดาษ ) ได้เช่นกัน ^{[ 220 ]}ชุมชนไบโอแฮ็กกิ้งยังคงเป็นแหล่งที่มาของความกังวลเป็นพิเศษ เนื่องจากลักษณะที่กระจายตัวและแพร่หลายของเทคโนโลยีชีวภาพแบบโอเพนซอร์สทำให้ยากต่อการติดตาม ควบคุม หรือบรรเทาความกังวลที่อาจเกิดขึ้นเกี่ยวกับความปลอดภัยทางชีวภาพและความมั่นคงทางชีวภาพ^{[ 221 ]}

COSY ซึ่งเป็นโครงการริเริ่มของยุโรปอีกโครงการหนึ่ง มุ่งเน้นไปที่การรับรู้และการสื่อสารของสาธารณชน^{[ 222 ] [ 223 ] [ 224 ]}เพื่อสื่อสารชีววิทยาเชิงสังเคราะห์และผลกระทบต่อสังคมในวงกว้างให้ดียิ่งขึ้น COSY และ SYNBIOSAFE ได้เผยแพร่SYNBIOSAFEซึ่งเป็นภาพยนตร์สารคดีความยาว 38 นาที ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2552 ^{[ 217 ]}

สมาคมชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ระหว่างประเทศได้เสนอการกำกับดูแลตนเอง^{[ 225 ]}ซึ่งเสนอมาตรการเฉพาะที่อุตสาหกรรมชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ โดยเฉพาะบริษัทสังเคราะห์ DNA ควรนำไปใช้ ในปี 2550 กลุ่มที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์จากบริษัทสังเคราะห์ DNA ชั้นนำได้เผยแพร่ "แผนปฏิบัติสำหรับการพัฒนากรอบการกำกับดูแลที่มีประสิทธิภาพสำหรับอุตสาหกรรมสังเคราะห์ DNA" ^{[ 212 ]}

ในเดือนมกราคม พ.ศ. 2552 มูลนิธิ Alfred P. Sloanได้ให้ทุนสนับสนุนศูนย์ Woodrow Wilsonศูนย์Hastingsและสถาบัน J. Craig Venterเพื่อตรวจสอบการรับรู้ของสาธารณชน จริยธรรม และผลกระทบเชิงนโยบายของชีววิทยาเชิงสังเคราะห์^{[ 226 ]}

เมื่อวันที่ 9–10 กรกฎาคม พ.ศ. 2552 คณะกรรมการวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และกฎหมายของสถาบันแห่งชาติได้จัดการประชุมสัมมนาเรื่อง "โอกาสและความท้าทายในสาขาชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ที่กำลังเกิดขึ้น" ^{[ 227 ]}

หลังจากมีการตีพิมพ์จีโนมสังเคราะห์ตัวแรกและการรายงานข่าวของสื่อเกี่ยวกับการสร้าง "สิ่งมีชีวิต" ประธานาธิบดีบารัค โอบามาได้จัดตั้งคณะกรรมการประธานาธิบดีเพื่อการศึกษาประเด็นจริยธรรมชีวภาพเพื่อศึกษาชีววิทยาสังเคราะห์^{[ 228 ]}คณะกรรมการได้จัดการประชุมหลายครั้ง และออกรายงานในเดือนธันวาคม 2010 ในชื่อ "ทิศทางใหม่: จริยธรรมของชีววิทยาสังเคราะห์และเทคโนโลยีเกิดใหม่" คณะกรรมการระบุว่า "แม้ว่าความสำเร็จของเวนเตอร์จะเป็นความก้าวหน้าทางเทคนิคที่สำคัญในการแสดงให้เห็นว่าจีโนมขนาดใหญ่สามารถสังเคราะห์ได้อย่างแม่นยำและแทนที่จีโนมอื่นได้ แต่มันก็ไม่ได้หมายถึง "การสร้างสิ่งมีชีวิต" ^{[ 229 ]}คณะกรรมการตั้งข้อสังเกตว่าชีววิทยาสังเคราะห์เป็นสาขาใหม่ที่กำลังพัฒนา ซึ่งก่อให้เกิดความเสี่ยงและผลตอบแทนที่อาจเกิดขึ้น คณะกรรมการไม่ได้แนะนำให้เปลี่ยนแปลงนโยบายหรือการกำกับดูแล และเรียกร้องให้มีการสนับสนุนทางการเงินอย่างต่อเนื่องสำหรับการวิจัยและการจัดหาเงินทุนใหม่สำหรับการติดตาม การศึกษาประเด็นจริยธรรมที่เกิดขึ้นใหม่ และการให้ความรู้แก่สาธารณชน^{[ 214 ]}

ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ ซึ่งเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับความก้าวหน้าทางชีววิทยา ส่งผลให้เกิด "ศักยภาพในการพัฒนาอาวุธชีวภาพ ผลกระทบเชิงลบที่คาดไม่ถึงต่อสุขภาพของมนุษย์ ... และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมที่อาจเกิดขึ้น" ^{[ 230 ]}การแพร่กระจายของเทคโนโลยีดังกล่าวอาจทำให้การผลิต อาวุธ ชีวภาพและเคมี เป็นไปได้สำหรับ ผู้เล่นทั้งภาครัฐและเอกชนในวงกว้างขึ้น[ ^{231 ] ปัญหา}ด้านความมั่นคงเหล่านี้อาจหลีกเลี่ยงได้โดยการควบคุมการใช้เทคโนโลยีชีวภาพในภาคอุตสาหกรรมผ่านกฎหมายนโยบาย แนวทางของรัฐบาลกลางเกี่ยวกับการดัดแปลงพันธุกรรมกำลังถูกเสนอโดย "คณะกรรมการจริยธรรมชีวภาพของประธานาธิบดี ... เพื่อตอบสนองต่อการประกาศการสร้างเซลล์ที่สามารถจำลองตัวเองได้จากจีโนมที่สังเคราะห์ทางเคมี ได้เสนอข้อแนะนำ 18 ข้อ ไม่เพียงแต่สำหรับการควบคุมวิทยาศาสตร์ ... สำหรับการให้ความรู้แก่สาธารณชน" ^{[ 230 ]}

เมื่อวันที่ 13 มีนาคม 2555 กลุ่มสิ่งแวดล้อมและภาคประชาสังคมกว่า 100 กลุ่ม รวมถึงFriends of the Earth , International Center for Technology AssessmentและETC Groupได้ออกแถลงการณ์เรื่อง หลักการสำหรับการกำกับดูแลชีววิทยาเชิงสังเคราะห์แถลงการณ์นี้เรียกร้องให้มีการระงับการเผยแพร่และการใช้สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ในเชิงพาณิชย์ทั่วโลก จนกว่าจะมีการกำหนดกฎระเบียบที่เข้มแข็งและมาตรการความปลอดภัยทางชีวภาพที่เข้มงวดมากขึ้น กลุ่มเหล่านี้เรียกร้องโดยเฉพาะอย่างยิ่งให้มีการห้ามใช้ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์กับจีโนมมนุษย์หรือไมโครไบโอมของมนุษย์โดย สิ้นเชิง ^{[ 232 ] [ 233 ]} Richard Lewontinเขียนว่าหลักการด้านความปลอดภัยบางประการสำหรับการกำกับดูแลที่กล่าวถึงในหลักการสำหรับการกำกับดูแลชีววิทยาเชิงสังเคราะห์นั้นสมเหตุสมผล แต่ปัญหาหลักของข้อเสนอแนะในแถลงการณ์คือ "สาธารณชนโดยทั่วไปขาดความสามารถในการบังคับใช้ข้อเสนอแนะเหล่านั้นให้เป็นจริงอย่างมีความหมาย" ^{[ 234 ]}

อันตรายของชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ ได้แก่ อันตราย ด้านความปลอดภัยทางชีวภาพต่อคนงานและสาธารณชนอันตรายด้านความมั่นคงทางชีวภาพ ที่เกิดจากการดัดแปลงสิ่งมีชีวิตโดยเจตนาเพื่อให้เกิดอันตราย และอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม ^{[ 235 ]}อันตรายด้านความปลอดภัยทางชีวภาพนั้นคล้ายคลึงกับอันตรายในสาขาเทคโนโลยีชีวภาพที่มีอยู่แล้ว โดยส่วนใหญ่คือการสัมผัสกับเชื้อโรคและสารเคมีที่เป็นพิษ แม้ว่าสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ชนิดใหม่ๆ อาจมีความเสี่ยงใหม่ๆ ก็ตาม^{[ 210 ]}สำหรับความมั่นคงทางชีวภาพ มีความกังวลว่าสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์หรือสิ่งมีชีวิตที่ออกแบบใหม่นั้นอาจถูกนำไปใช้ในการก่อการร้ายทางชีวภาพ ได้ในทางทฤษฎี ความเสี่ยงที่อาจเกิดขึ้น ได้แก่ การสร้างเชื้อโรคที่รู้จักขึ้นมาใหม่ตั้งแต่ต้น การดัดแปลงเชื้อโรคที่มีอยู่ให้เป็นอันตรายมากขึ้น และการดัดแปลงจุลินทรีย์ให้ผลิตสารชีวเคมีที่เป็นอันตราย^{[ 236 ]}สุดท้าย อันตรายต่อสิ่งแวดล้อม ได้แก่ ผลกระทบในทางลบต่อความหลากหลายทางชีวภาพและบริการของระบบนิเวศรวมถึงการเปลี่ยนแปลงการใช้ที่ดินที่อาจเกิดขึ้นจากการใช้สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ในการเกษตร^{[ 237 ] [ 238 ]}ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์เป็นตัวอย่างของเทคโนโลยีสองวัตถุประสงค์ที่มีศักยภาพในการนำไปใช้ในลักษณะที่อาจก่อให้เกิดอันตรายต่อมนุษย์และ/หรือสิ่งแวดล้อมโดยตั้งใจหรือไม่ตั้งใจ บ่อยครั้งที่ "นักวิทยาศาสตร์ สถาบันที่รับพวกเขา และหน่วยงานที่ให้ทุน" พิจารณาว่าการวิจัยที่วางแผนไว้อาจถูกนำไปใช้ในทางที่ผิดหรือไม่ และบางครั้งก็ดำเนินมาตรการเพื่อลดโอกาสที่จะเกิดการนำไปใช้ในทางที่ผิด^{[ 239 ]}

โดยทั่วไปแล้ว ระบบวิเคราะห์ความเสี่ยงที่มีอยู่สำหรับ GMO ถือว่าเพียงพอสำหรับสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ แม้ว่าอาจมีปัญหาสำหรับสิ่งมีชีวิตที่สร้างขึ้น "จากล่างขึ้นบน" จากลำดับพันธุกรรมแต่ละส่วน^{[ 211 ] [ 240 ]}ชีววิทยาสังเคราะห์โดยทั่วไปอยู่ภายใต้กฎระเบียบที่มีอยู่สำหรับ GMO และเทคโนโลยีชีวภาพโดยทั่วไป และกฎระเบียบใด ๆ ที่มีอยู่สำหรับผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ขั้นปลาย แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วจะไม่มีกฎระเบียบในเขตอำนาจศาลใด ๆ ที่เฉพาะเจาะจงสำหรับชีววิทยาสังเคราะห์^{[ 241 ] [ 242 ]}

• Church G, Regis E (2012). Regenesis: How Synthetic Biology will Reinvent Nature and Ourselves . นิวยอร์ก, นิวยอร์ก: Basic Books . ISBN 978-0-465-02175-8.
• ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์และความหลากหลายทางชีวภาพ; วิทยาศาสตร์เพื่อนโยบายสิ่งแวดล้อม(PDF)เอกสารสรุปอนาคตฉบับที่ 15 จัดทำขึ้นสำหรับคณะกรรมาธิการยุโรป สำนักงานใหญ่ด้านสิ่งแวดล้อม โดยหน่วยสื่อสารวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเวสต์อินดีส บริสตอล (รายงาน) คณะกรรมาธิการยุโรป 2016
• เวนเตอร์ ซี (2013). ชีวิตที่ความเร็วแสง: เกลียวคู่และรุ่งอรุณแห่งชีวิตดิจิทัล . นิวยอร์ก, นิวยอร์ก: สำนักพิมพ์เพนกวิน. ISBN 978-0-670-02540-4. OCLC  834432832 .
• รัทเธอร์ฟอร์ด, อดัม (2014). การสร้างสรรค์: วิทยาศาสตร์กำลังสร้างชีวิตขึ้นมาใหม่ได้อย่างไร . ปัจจุบัน. ISBN 978-1-61723-011-0. OCLC  880230551 .

• เชื้อโรคที่ถูกดัดแปลงพันธุกรรมและอาวุธชีวภาพที่ไม่เป็นธรรมชาติ: ภัยคุกคามในอนาคตของชีววิทยาเชิงสังเคราะห์ภัยคุกคามและข้อควรพิจารณา
• หนังสือชีววิทยาเชิงสังเคราะห์หนังสือวิทยาศาสตร์ยอดนิยม และตำราเรียน
• บทสรุปเบื้องต้นเกี่ยวกับชีววิทยาเชิงสังเคราะห์(เก็บถาวรเมื่อวันที่ 2 เมษายน 2018 ที่Wayback Machine ) ภาพรวมโดยย่อของแนวคิด การพัฒนา และการประยุกต์ใช้ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์
• บทความสรุปภาพรวมแบบร่วมมือกันเกี่ยวกับชีววิทยาเชิงสังเคราะห์
• บริษัทสตาร์ทอัพด้านดีเอ็นเอที่กำลังเป็นที่ถกเถียง ต้องการให้ลูกค้าสร้างสิ่งมีชีวิต (3 มกราคม 2015) หนังสือพิมพ์ซานฟรานซิสโก โครนิเคิล
• มันมีชีวิต แต่เป็นชีวิตจริงหรือ: ชีววิทยาเชิงสังเคราะห์และอนาคตของการสร้างสรรค์ (28 กันยายน 2016) เทศกาลวิทยาศาสตร์โลก