For quantitative systems biology, simultaneous readout of multiple cellular processes as well as precise, independent control over different genes' activities are essential. In contrast to readout systems such as fluorescent proteins, control systems such as inducible transcription-factor-promoter systems have only been characterized in an ad hoc fashion, impeding precise system-level manipulations of biological systems and reliable modeling. We designed and performed systematic benchmarks involving easy-to-communicate units to characterize and compare inducible transcriptional systems. We built a comprehensive single-copy library of inducible systems controlling standardized fluorescent protein expression in budding yeast, including GAL1pr, GALL, MET3pr, CUP1pr, PHO5pr, tetOpr, terminator-tetOpr, Z3EV system, the blue-light optogenetic systems El222-LIP, El222-GLIP and the red-light inducible PhyB-PIF3 system. To analyze these systems' dynamic properties, we performed high-throughput time-lapse microscopy. The analysis of >100 000 cell images was made possible by the recently developed convolutional neural network YeaZ. We report key kinetic parameters, scaling of noise levels, impacts on growth, and, crucially, the fundamental leakiness of each system. Our multidimensional benchmarking additionally uncovers unexpected disadvantages of widely used tools, e.g., nonmonotonic activity of the MET3 and GALL promoters, slow off kinetics of the doxycycline and estradiol-inducible systems tetOpr and Z3EV, and high variability of PHO5pr and red-light activated PhyB-PIF3 system. We introduce two new tools for controlling gene expression: strongLOV, a more light-sensitive El222 mutant, and ARG3pr that functions as an OR gate induced by the lack of arginine or presence of methionine. To demonstrate the ability to finely control genetic circuits, we experimentally tuned the time between cell cycle Start and mitotic entry in budding yeast, artificially simulating near-wild-type timing. The characterizations presented here define the compromises that need to be made for quantitative experiments in systems and synthetic biology. To calibrate perturbations across laboratories and to allow new inducible systems to be benchmarked, we deposited single-copy reporter yeast strains, plasmids, and computer analysis code in public repositories. Furthermore, this resource can be accessed and expanded through the website https://promoter-benchmark.epfl.ch/.

中文翻译：

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用于精确动态控制出芽酵母的诱导型启动子的多维单细胞基准测试

对于定量系统生物学，同时读出多个细胞过程以及对不同基因活动的精确、独立控制是必不可少的。与荧光蛋白等读出系统相比，诱导型转录因子启动子系统等控制系统仅以特殊方式进行表征，阻碍了对生物系统的精确系统级操作和可靠建模。我们设计并执行了涉及易于交流的单元的系统基准测试，以表征和比较诱导型转录系统。我们建立了一个综合的单拷贝诱导系统库，控制出芽酵母中标准化荧光蛋白的表达，包括 GAL1pr、GALL、MET3pr、CUP1pr、PHO5pr、tetOpr、terminator-tetOpr、Z3EV 系统，蓝光光遗传学系统 El222-LIP、El222-GLIP 和红光诱导型 PhyB-PIF3 系统。为了分析这些系统的动态特性，我们进行了高通量延时显微镜检查。最近开发的卷积神经网络 YeaZ 使分析超过 100 000 个细胞图像成为可能。我们报告了关键的动力学参数、噪声水平的缩放、对增长的影响，以及至关重要的是，每个系统的基本泄漏。我们的多维基准测试还揭示了广泛使用的工具的意外缺点，例如 MET3 和 GALL 启动子的非单调活性、多西环素和雌二醇诱导系统 tetOpr 和 Z3EV 的动力学减慢，以及 PHO5pr 和红光激活的 PhyB- 的高可变性PIF3系统。我们引入了两种控制基因表达的新工具：strongLOV，一种对光更敏感的 El222 突变体，以及 ARG3pr，其功能是由缺乏精氨酸或存在蛋氨酸诱导的 OR 门。为了证明精细控制遗传回路的能力，我们通过实验调整细胞周期开始和芽殖酵母有丝分裂进入之间的时间，人工模拟接近野生型的时间。这里介绍的特征定义了系统和合成生物学中的定量实验需要做出的妥协。为了校准跨实验室的干扰并允许对新的诱导系统进行基准测试，我们将单拷贝报告酵母菌株、质粒和计算机分析代码存放在公共存储库中。此外，可以通过网站 https://promoter-benchmark.epfl.ch/ 访问和扩展此资源。和 ARG3pr，其作为由缺乏精氨酸或存在蛋氨酸诱导的 OR 门。为了证明精细控制遗传回路的能力，我们通过实验调整细胞周期开始和芽殖酵母有丝分裂进入之间的时间，人工模拟接近野生型的时间。这里介绍的特征定义了系统和合成生物学中的定量实验需要做出的妥协。为了校准跨实验室的干扰并允许对新的诱导系统进行基准测试，我们将单拷贝报告酵母菌株、质粒和计算机分析代码存放在公共存储库中。此外，可以通过网站 https://promoter-benchmark.epfl.ch/ 访问和扩展此资源。和 ARG3pr，其作为由缺乏精氨酸或存在蛋氨酸诱导的 OR 门。为了证明精细控制遗传回路的能力，我们通过实验调整细胞周期开始和芽殖酵母有丝分裂进入之间的时间，人工模拟接近野生型的时间。这里介绍的特征定义了系统和合成生物学中的定量实验需要做出的妥协。为了校准跨实验室的干扰并允许对新的诱导系统进行基准测试，我们将单拷贝报告酵母菌株、质粒和计算机分析代码存放在公共存储库中。此外，可以通过网站 https://promoter-benchmark.epfl.ch/ 访问和扩展此资源。为了证明精细控制遗传回路的能力，我们通过实验调整细胞周期开始和芽殖酵母有丝分裂进入之间的时间，人工模拟接近野生型的时间。这里介绍的特征定义了系统和合成生物学中的定量实验需要做出的妥协。为了校准跨实验室的干扰并允许对新的诱导系统进行基准测试，我们将单拷贝报告酵母菌株、质粒和计算机分析代码存放在公共存储库中。此外，可以通过网站 https://promoter-benchmark.epfl.ch/ 访问和扩展此资源。为了证明精细控制遗传回路的能力，我们通过实验调整细胞周期开始和芽殖酵母有丝分裂进入之间的时间，人工模拟接近野生型的时间。这里介绍的特征定义了系统和合成生物学中的定量实验需要做出的妥协。为了校准跨实验室的干扰并允许对新的诱导系统进行基准测试，我们将单拷贝报告酵母菌株、质粒和计算机分析代码存放在公共存储库中。此外，可以通过网站 https://promoter-benchmark.epfl.ch/ 访问和扩展此资源。人工模拟近乎狂野的时序。这里介绍的特征定义了系统和合成生物学中的定量实验需要做出的妥协。为了校准跨实验室的干扰并允许对新的诱导系统进行基准测试，我们将单拷贝报告酵母菌株、质粒和计算机分析代码存放在公共存储库中。此外，可以通过网站 https://promoter-benchmark.epfl.ch/ 访问和扩展此资源。人工模拟近乎狂野的时序。这里介绍的特征定义了系统和合成生物学中的定量实验需要做出的妥协。为了校准跨实验室的干扰并允许对新的诱导系统进行基准测试，我们将单拷贝报告酵母菌株、质粒和计算机分析代码存放在公共存储库中。此外，可以通过网站 https://promoter-benchmark.epfl.ch/ 访问和扩展此资源。和公共存储库中的计算机分析代码。此外，可以通过网站 https://promoter-benchmark.epfl.ch/ 访问和扩展此资源。和公共存储库中的计算机分析代码。此外，可以通过网站 https://promoter-benchmark.epfl.ch/ 访问和扩展此资源。