Strictly controlled inducible gene expression is crucial when engineering biological systems where even tiny amounts of a protein have a large impact on function or host cell viability. In these cases, leaky protein production must be avoided at all costs, but ideally without affecting the achievable range of expression. Here, we demonstrate how the central dogma offers a simple way to effectively address this challenge. By simultaneously regulating both transcription and translation, we show how relative basal expression of an inducible system can be greatly reduced, with minimal impact on the maximum induced expression rate. Using this approach, we create several stringent expression systems displaying >1000-fold change in their output after induction in vivo and up to a 350-fold change when used in a cell-free expression system. Furthermore, we find that multi-level regulation is able to suppress transcriptional noise and creates a digital-like switch when transitioning between 'on' and 'off' states. This work provides foundational knowledge and a genetic toolkit of parts to create multi-level gene expression controllers for those working with toxic genes or requiring precise regulation and propagation of cellular signals. It also demonstrates the value of exploring more complex and diverse regulatory designs for synthetic biology.

中文翻译：

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利用中央教条进行基因表达的严格多级控制

在工程生物系统中，严格控制的诱导型基因表达至关重要，在生物系统中，即使是极少量的蛋白质也会对功能或宿主细胞的生存能力产生重大影响。在这些情况下，必须不惜一切代价避免产生泄漏的蛋白质，但理想情况下，不影响可达到的表达范围。在这里，我们演示了中央教条如何提供一种有效应对这一挑战的简单方法。通过同时调节转录和翻译，我们展示了如何最大程度地降低诱导型系统的相对基础表达，而对最大诱导表达率的影响却最小。使用这种方法，我们创建了多个严格的表达系统，这些表达系统在体内诱导后的输出变化显示> 1000倍，而在无细胞表达系统中使用时，则显示高达350倍的变化。此外，我们发现，多级调节能够抑制转录噪声，并在“开”和“关”状态之间转换时创建类似数字的开关。这项工作提供了基础知识和零件的遗传工具包，可为使用有毒基因或需要精确调节和传播细胞信号的人员创建多级基因表达控制器。它还证明了探索针对合成生物学的更为复杂和多样的监管设计的价值。这项工作提供了基础知识和零件的遗传工具包，可为使用有毒基因或需要精确调节和传播细胞信号的人员创建多级基因表达控制器。它还证明了探索针对合成生物学的更为复杂和多样的监管设计的价值。这项工作提供了基础知识和零件的遗传工具包，可为使用有毒基因或需要精确调节和传播细胞信号的人员创建多级基因表达控制器。它还证明了探索针对合成生物学的更为复杂和多样的监管设计的价值。