iG6PSnFR: A genetically encoded fluorescent sensor for observing glucose-6-phosphate dynamics in living preparations

داخل كل خلية حية، تقوم شبكة معقدة من التفاعلات الكيميائية بتحويل الغذاء باستمرار إلى الطاقة اللازمة لاستمرار الحياة. وفي بداية هذه العملية تماماً، تكمن جزيئة تسمى جلوكوز-6-فوسفات. وهي تعمل كمركز محوري، ونقطة تقاطع حاسمة حيث تقرر الخلية ما إذا كانت ستحرق السكر للحصول على طاقة فورية، أو تخزنه لوقت لاحق، أو تستخدمه لبناء هياكل جديدة. لعقود من الزمن، كافح العلماء لمراقبة هذه الجزيئة أثناء عملها. كانت الطرق التقليدية تتطلب تجميد الخلايا أو تفكيكها لأخذ لقطة ثابتة، مما يعني أنهم لم يتمكنوا أبداً من رؤية كيف تتغير مستويات هذا الوقود الحيوي في الوقت الفعلي بينما تستجيب الخلية لبيئتها. وبدون وسيلة لمراقبة هذه الديناميكيات، ظل اللحظة الدقيقة التي تغير فيها الخلية تروسها الأيضية لغزاً.

ولحل هذه المشكلة، طور الباحثون أداة جديدة تسمح لهم بمراقبة حركة وتغير الجلوكوز-6-فوسفات داخل الكائنات الحية. لقد ابتكروا مستشعراً مشفراً جينياً، وهو بروتين ضئيل يمكن برمجة شفرته داخل الحمض النووي للخلية. عندما يواجه هذا المستشعر الجلوكوز-6-فوسفات، فإنه يغير سطوعه، حيث يتوهج بشكل أكثر سطوعاً أو خفوتاً اعتماداً على النسخة المستخدمة. وهذا يسمح للعلماء برؤية التحولات الكيميائية غير المرئية أثناء حدوثها، محولين الكيمياء الداخلية للخلية إلى عرض ضوئي مرئي يمكن تصويره وقياسه.

قام الفريق وراء هذا العمل، بقيادة علماء من معهد هوارد هيوز الطبي وكلية ييل للطب، بتصميم نسختين متميزتين من هذا المستشعر. إحدى النسختين، والتي أطلقوا عليها اسم iG6PSnFR، تضيء عندما ترتبط بالجلوكوز-6-فوسفات، مما يشير إلى زيادة وجود الجزيء. أما النسخة الأخرى، المسماة iG6PSnFR-D، فتقوم بالعكس؛ إذ تخبو عند مواجهة الجزيء. ومن خلال إنشاء كل من مفتاح التشغيل "on" ومفتاح الإيقاف "off"، ضمن الباحثون أنه يمكنهم اكتشاف التغيرات في التركيز بغض النظر عما إذا كانت المستويات ترتفع أو تنخفض. لقد بنوا هذه المستشعرات عبر أخذ بروتين يرتبط بالجلوكوز-6-فوسفات بشكل طبيعي وإدخال بروتين باعث للضوء في بنيته. وعندما ينغلق البروتين الرابط حول الجزيء المستهدف، فإنه يلتوي الجزء الباعث للضوء، مما يغير كمية الضوء التي يصدرها.

اختبر الباحثون هذه المستشعرات أولاً في بيئة مختبرية محكومة باستخدام بروتينات منقاة. وقد أكدوا أن المستشعرات تتفاعل تحديداً مع الجلوكوز-6-فوسفات وتتجاهل جزيئات السكر المماثلة الأخرى التي قد تكون موجودة في الخلية. كما قاسوا سرعة استجابة المستشعرات، ووجدوا أنها تستطيع اكتشاف التغيرات في غضون أجزاء من الثانية فقط، وهي سرعة كافية لمواكبة الوتيرة السريعة للأيض الخلوي. والأهم من ذلك، اكتشفوا أن المستشعرات لا تختلط بسهولة مع التغيرات في مستويات الفوسفات غير العضوي، وهو كيميائي شائع في الخلايا غالباً ما يتداخل مع أنواع أخرى من القياسات. هذه النوعية تعني أن المستشعرات يمكنها تقديم قراءة واضحة ودقيقة لمستويات الجلوكوز-6-فوسفات حتى في البيئة الكيميائية المزدحمة داخل الخلية الحية.

بعد التحقق من صحة المستشعرات في المختبر، انتقل الفريق إلى الخلايا الحية ليروا كيف سيكون أداؤها في سياق بيولوجي حقيقي. أدخلوا المستشعرات في خلايا بشرية مزروعة في طبق ثم أخضعوا تلك الخلايا لتحديات أيضية متنوعة. عندما منعوا الخلايا من امتصاص السكر، أظهرت المستشعرات انخفاضاً سريعاً في مستويات الجلوكوز-6-فوسفات، تماماً كما هو متوقع. وعندما أضافوا عقاراً يمنع الخلايا من معالجة السكر، أظهرت المستشعرات أيضاً انخفاضاً سريعاً. وعلى العكس من ذلك، عند إعادة إدخال السكر إلى الخلايا التي تعرضت للتجويع، توهجت المستشعرات، مما أظهر أن الخلايا تنجح في تحويل السكر إلى جلوكوز-6-فوسفات. أثبتت هذه التجارب أن المستشعرات يمكنها تتبع مد وجزر هذه الجزيئة بينما تتفاعل الخلايا مع بيئتها.

ذهب الباحثون بالعمل خطوة أبعد، حيث اختبروا المستشعرات في الخلايا العصبية، وهي الخلايا المتخصصة التي تشكل الجهاز العصبي. تُعرف الخلايا العصبية بأنها نشطة للغاية وتتطلب إمداداً مستمراً من الطاقة. وعندما قام الفريق بتحفيز هذه الخلايا العصبية بإشارات كهربائية، كشفت المستشعرات عن انخفاض فوري في مستويات الجلوكوز-6-فوسفات، مما يشير إلى أن الخلايا تستهلك بسرعة احتياطيات الوقود الخاصة بها لتشغيل النشاط الكهربائي. أعقب هذا الانخفاض عملية تعافٍ معما تقوم الخلايا بتعويض إمداداتها. ومن خلال مراقبة هذه التغييرات في الوقت الفعلي، تمكن الفريق من رؤية الارتباط المباشر بين النشاط العصبي واستهلاك وقود الأيض، وهي عملية تحدث بسرعة أكبر من أن تُرى بالطرق القديمة.

ولمعرفة ما إذا كانت هذه التكنولوجيا ستعمل في حيوان كامل حي، لجأ الباحثون إلى الدودة المستديرة الصغيرة (C. elegans). قاموا بهندسة الديدوان لإنتاج المستشعر في خلايا عصبية حسية محددة تستجيب للتغيرات في تركيز الملح. وعندما تعرضت الديدان لزيادة مفاجئة في الملح، أظهرت المستشعرات في الخلايا العصبية النشطة انخفاضاً في الجلوكوز-6-فوسفات، بينما أظهرت المستشعرات في الخلايا العصبية غير النشطة زيادة. أثبت هذا أنه حتى في حيوان معقد ومتحرك، يمكن للمستشعرات التمييز بين حالات أيضية مختلفة في أجزاء مختلفة من الجهاز العصبي. أكدت النتائج أن الأداة يمكنها الكشف عن كيفية تحول الأيض استجابة للمدخلات الحسية في كائن حي.

كما طبق الفريق المستشعرات على الجزر البنكرياسية، وهي مجموعات من الخلايا في البنكرياس مسؤولة عن إطلاق الأنسولين. يجب على هذه الخلايا استشعار مستويات السكر في الدم والاستجابة بإطلاق الأنسولين للمساعدة في استخدام هذا السكر. وباستخدام المستشعرات، شاهد الباحثون ما حدث عندما رفعوا تركيز السكر حول هذه الخلايا. رأوا أن مستويات الجلوكوز-6-فوسفات ارتفعت بسرعة، تبعها ارتفاع في إشارات أيضية أخرى وزيادة في الكالسيوم، الذي يحفز إطلاق الأنسولين. هذا التسلسل من الأحداث، الذي تم التقاطه في الوقت الفعلي، قدم صورة واضحة لكيفية استشعار الخلايا للسكر وترجمة تلك الإشارة إلى استجابة هرمونية.

أخيراً، نظر الباحثون إلى الكبد، وهو عضو كبير يلعب دوراً رئيسياً في إدارة مخازن السكر والطاقة في الجسم. الكبد ليس متجانساً؛ فالخلايا القريبة من الأوعية الدموية التي تجلب دماً غنياً بالأكسجين تتصرف بشكل مختلف عن الخلايا القريبة من مركز العضو. ومن خلال حقن المستشعرات في كبد فئران حية، تمكن الفريق من رسم خريطة لتوزيع الجلوكوز-6-فوسفات عبر العضو. وجدوا أن الخلايا القريبة من مركز الكبد، والتي تشارك أكثر في تخزين الطاقة، حافظت على مستويات أعلى من الجلوكوز-6-فوسفات مقارنة بالخلايا القريبة من الأوعية الدموية، والتي تركز أكثر على تكسير السكر للحصول على الطاقة. هذه الخريطة المكانية، التي ظهرت لأول مرة، أظهرت أن النشاط الأيضي يختلف بشكل كبير عبر مناطق مختلفة من نفس العضو.

يمثل تطوير هذه المستشعرات خطوة كبيرة للأمام في القدرة على مراقبة الأيض الخلوي. فمن خلال توفير وسيلة لمراقبة تغير الجلوكوز-6-فوسفات في الوقت الفعلي، في الخلايا الحية والحيوانات الكاملة، فتح الباحثون نافذة جديدة على كيفية إدارة الخلايا لطاقتها. إن القدرة على رؤية هذه العمليات أثناء حدوثها، بدلاً من مجرد استنتاجها من لقطات ثابتة، تقدم فهماً أوضح لكيفية اتخاذ الخلايا لقرارات بشأن استخدام الوقود. تتيح هذه الأداة للعلماء مراقبة العواقب المباشرة للتحولات الأيضية، سواء كان ذلك في خلية عصبية تطلق إشارة كهربائية، أو خلية بنكرياسية تفرز الأنسولين، أو خلية كبدية تدير تخزين الطاقة. ومع صقل هذه المستشعرات وتطبيقها على أسئلة جديدة، فإنها تعد بالكشف عن الطبيعة الديناميكية للأيض في حالات الصحة والمرض، محولةً الكيمياء غير المرئية للحياة إلى قصة مرئية ومفهومة.