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

모든 살아있는 세포 내부에는 음식을 생명 활동을 유지하는 데 필요한 에너지로 끊임없이 전환하는 복잡한 화학 반응 네트워크가 존재합니다. 이 과정의 바로 시작점에는 글루코스-6-인산(glucose-6-phosphate)이라 불리는 분자가 있습니다. 이것은 세포가 설탕을 즉각적인 동력으로 태울지, 나중을 위해 저장할지, 아니면 새로운 구조물을 만드는 데 사용할지를 결정하는 핵심적인 교차점이자 중심 허브 역할을 합니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 분자가 실제로 작동하는 모습을 관찰하기 위해 고군분투해 왔습니다. 전통적인 방식은 세포를 얼리거나 파괴하여 스냅샷을 찍어야 했기에, 세포가 환경에 반응함에 따라 이 중요한 연료의 수치가 실시간으로 어떻게 변하는지 결코 볼 수 없었습니다. 이러한 역동성을 관찰할 방법이 없었기에, 세포가 대사 기어를 전환하는 정확한 순간은 미스터리로 남아 있었습니다.

이를 해결하기 위해 연구진은 살아있는 유기체 내에서 글루코스-6-인산이 움직이고 변화하는 모습을 관찰할 수 있는 새로운 도구를 개발했습니다. 그들은 유전적으로 부호화된 센서, 즉 세포의 DNA에 프로그래밍할 수 있는 아주 작은 단백질을 만들었습니다. 이 센서는 글루코스-6-인산을 만나면 밝기가 변하며, 사용된 버전에 따라 더 밝아지거나 더 어두워집니다. 이를 통해 과학자들은 보이지 않는 화학적 변화를 눈에 보이는 빛의 쇼로 바꾸어 촬영하고 측정함으로써, 세포 내부의 화학 작용을 실시간으로 볼 수 있게 되었습니다.

하워드 휴즈 의학 연구소와 예일 의과대학의 과학자들이 이끄는 연구팀은 이 센서의 두 가지 뚜렷한 버전을 설계했습니다. 'iG6PSnFR'이라는 이름의 한 버전은 글루코스-6-인산과 결합할 때 밝아지며 분자의 존재가 증가했음을 알립니다. 반대로 'iG6PSnFR-D'라고 불리는 다른 버전은 분자를 만나면 어두워집니다. 연구진은 '온(on)' 스위치와 '오프(off)' 스위치를 모두 만듦으로써, 수치가 상승하든 하락하든 상관없이 농도 변화를 감지할 수 있도록 했습니다. 그들은 글루코스-6-인산에 자연적으로 결합하는 단백질에 빛을 내는 단백질을 삽입하여 이 센서들을 제작했습니다. 결합 단백질이 표적 분자를 감싸며 닫힐 때, 빛을 내는 부분을 비틀어 빛의 양을 조절하는 방식입니다.

연구진은 먼저 정제된 단백질을 사용하여 통제된 실험실 환경에서 센서를 테스트했습니다. 그들은 센서가 글루코스-6-인산에 특이적으로 반응하며, 세포 내에 존재할 수 있는 다른 유사한 당 분자들은 무시한다는 것을 확인했습니다. 또한 센서의 반응 속도를 측정하여, 밀리초(ms) 단위의 변화를 감지할 수 있을 만큼 빨라 세포 대사의 빠른 속도를 따라잡을 수 있음을 발견했습니다. 결정적으로, 연구진은 센서가 흔히 다른 유형의 측정에 간섭을 일으키는 데는 흔한 화학 물질인 무기 인산의 변화에 쉽게 혼동되지 않는다는 것을 발견했습니다. 이러한 특이성 덕분에 센서는 복잡한 세포 내부의 화학적 환경 속에서도 글루코스-6-인산 수치를 명확하고 정확하게 읽어낼 수 있었습니다.

센서가 실험실에서 검증되자, 팀은 실제 생물학적 맥락에서 이들이 어떻게 작동하는지 확인하기 위해 살아있는 세포로 넘어갔습니다. 연구진은 배양 접시에서 자라는 인간 세포에 센서를 도입한 후, 세포에 다양한 대사적 도전을 가했습니다. 세포가 설탕을 흡수하지 못하도록 차단했을 때, 센서는 예상대로 글루코스-6-인산 수치의 급격한 감소를 보여주었습니다. 세포가 설탕을 처리하는 것을 막는 약물을 추가했을 때도 센서는 다시 빠른 감소를 나타냈습니다. 반대로, 굶주린 세포에 설탕을 다시 공급하자 센서가 밝아졌으며, 이는 세포가 설탕을 글루코스-6-인산으로 성공적으로 전환하고 있음을 보여주었습니다. 이러한 실험들은 센서가 세포가 환경에 반응할 때 이 분자의 오르내림을 추적할 수 있음을 입증했습니다.

연구진은 여기서 한 걸음 더 나아가, 신경계를 구성하는 특수 세포인 뉴런에서 센서를 테스트했습니다. 뉴런은 매우 활동적이며 지속적인 에너지 공급을 필요로 하는 것으로 알려져 있습니다. 연구진이 전기 신호로 뉴런을 자극했을 때, 센서는 글루코스-6-인산 수치의 즉각적인 하락을 드러냈는데, 이는 세포가 전기 활동을 위한 동력을 얻기 위해 연료 비축분을 빠르게 소모하고 있음을 나타냅니다. 이 하락 이후에는 세포가 공급량을 보충함에 따라 회복이 뒤따랐습니다. 이러한 변화를 실시간으로 관찰함으로써, 연구진은 뉴런의 활동과 대사 연료 소비 사이의 직접적인 연결 고리를 확인할 수 있었으며, 이는 기존의 방법으로는 볼 수 없었던 과정이었습니다.

이 기술이 살아있는 동물 전체에서도 작동하는지 확인하기 위해, 연구진은 작은 선충인 C. elegans를 활용했습니다. 그들은 염분 농도 변화에 반응하는 특정 감각 뉴런에서 센서를 생성하도록 벌레를 설계했습니다. 벌로가 갑작스러운 염분 증가에 노출되었을 때, 활성화된 뉴런의 센서는 글루코스-6-인산의 감소를 보였고, 비활성 뉴런의 센서는 증가를 보였습니다. 이는 복잡하고 움직이는 동물 내에서도 센서가 신경계의 서로 다른 부분에서 서로 다른 대사 상태를 구별할 수 있음을 입증했습니다. 이 결과는 이 도구가 살아있는 유기체의 감각 입력에 따라 대사가 어떻게 변화하는지를 밝혀낼 수 있음을 확인시켜 주었습니다.

연구진은 또한 췌장에서 인슐린을 방출하는 역할을 하는 세포 집단인 췌장 섬(pancreatic islets)에 이 센서를 적용했습니다. 이 세포들은 혈액 내 당 수치를 감지하고 체내 당 사용을 돕기 위해 인슐린을 방출해야 합니다. 센서를 사용하여 연구진은 세포 주변의 당 농도를 높였을 때 어떤 일이 일어나는지 관찰했습니다. 그들은 글루코스-6-인산 수치가 빠르게 상승한 뒤, 다른 대사 신호의 상승과 인슐린 방출을 유발하는 칼슘의 급증이 이어지는 것을 목격했습니다. 실시간으로 포착된 이 일련의 사건들은 세포가 어떻게 당을 감지하고 그 신호를 호르몬 반응으로 번역하는지에 대한 명확한 그림을 제공했습니다.

마지막으로, 연구진은 신체의 당과 에너지 저장을 관리하는 데 중요한 역할을 하는 큰 장기인 간을 살펴보았습니다. 간은 균일하지 않습니다. 신선하고 산소가 풍부한 혈액을 가져오는 혈관 근처의 세포들은 장기의 중심부에 있는 세포들과 다르게 행동합니다. 살아있는 생쥐의 간에 센서를 주입함으로써, 연구진은 장기 전반에 걸친 글루코스-6-인산의 분포를 지도화할 수 있었습니다. 그들은 에너지 저장에 더 관여하는 중심부 근처의 세포들이 에너지 소비에 집중하는 혈관 근처의 세포들보다 더 높은 수준의 글루코스-6-인산을 유지한다는 것을 발견했습니다. 처음으로 시각화된 이 공간적 지도는 동일한 장기 내에서도 지역에 따라 대사 활동이 크게 달라진다는 것을 보여주었습니다.

이 센서의 개발은 세포 대사를 관찰하는 능력에 있어 중대한 진전을 의미합니다. 살아있는 세포와 전체 동물 내에서 글루코스-6-인산이 변화하는 모습을 실시간으로 관찰할 수 있는 방법을 제공함으로써, 연구진은 세포가 에너지를 어떻게 관리하는지에 대한 새로운 창을 열었습니다. 단순히 정적인 스냅샷으로부터 추론하는 것이 아니라, 과정이 일어나는 현장에서 이를 관찰할 수 있는 능력은 세포가 연료 사용에 대해 어떻게 결정을 내리는지에 대한 더 명확한 이해를 제공합니다. 이 도구는 뉴런이 전기 신호를 보내거나, 췌장 세포가 인슐린을 방출하거나, 간 세포가 에너지를 관리할 때 발생하는 대사 변화의 즉각적인 결과를 관찰할 수 있게 해줍니다. 이 센서들이 더욱 정교해지고 새로운 질문들에 적용됨에 따라, 이들은 건강과 질병 속에서 역동적으로 움직이는 대사의 본질을 밝혀낼 것으로 기대됩니다.