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

在每一个活细胞内部，一个复杂的化学反应网络正在不断地将食物转化为维持生命运转所需的能量。在这个过程的最开始，存在着一种被称为 6-磷酸葡萄糖（glucose-6-phosphate）的分子。它扮演着一个中心枢纽的角色，是一个关键的关口，细胞在此决定是将糖分燃烧以获取即时动力，还是将其储存以备后用，亦或是利用它来构建新的结构。几十年来，科学家们一直难以观察这种分子的动态过程。传统的方法需要冻结细胞或将其破碎以获取快照，这意味着他们永远无法看到这种至关重要的燃料水平在细胞响应环境时是如何实时变化的。由于缺乏观察这些动态变化的方法，细胞何时切换其代谢档位的精确时刻一直是一个谜。

为了解决这个问题，研究人员开发了一种新工具，可以观察活体生物体内 6-磷酸葡萄糖的移动和变化。他们创造了一种基因编码传感器，这是一种可以被编程进细胞 DNA 中的微小蛋白质。当这种传感器遇到 6-磷酸葡萄糖时，它会改变自身的亮度，根据所使用的具体版本，变得更亮或更暗。这使得科学家能够看到发生的不可见的化学变化，将细胞内部的化学反应转化为可以被拍摄和测量的可见光影秀。

由哈佛大学胡佛研究所和耶鲁大学医学院科学家领导的研究团队，设计了两个不同版本的传感器。其中一个版本名为 iG6PSnFR，它在结合 6-磷酸葡萄糖时会发光，预示着该分子的增加。另一个版本称为 iG6PSnFR-D，则恰好相反；它在遇到该分子时会变暗。通过创造一个“开启”开关和一个“关闭”开关，研究人员确保了无论水平是在上升还是下降，都能检测到浓度的变化。他们通过提取一种能自然抓取 6-磷酸葡萄糖的蛋白质，并在其结构中植入一个发光蛋白来构建这些传感器。当结合蛋白紧紧包裹住目标分子时，它会扭转发光部分，从而改变其发光的强度。

研究人员首先在受控的实验室环境中使用纯化蛋白质对这些传感器进行了测试。他们证实了这些传感器对 6-磷酸葡萄糖具有特异性反应，并且会忽略细胞中可能存在的其他类似糖分子。他们还测量了传感器的响应速度，发现它们可以在短短几毫秒内检测到变化，足以跟上细胞代谢的快速节奏。至关重要的是，他们发现这些传感器不会轻易受到无机磷酸盐水平变化的影响，而无机磷酸盐是细胞中常见的化学物质，经常会干扰其他类型的测量。这种特异性意味着即使在拥挤的细胞化学环境中，传感器也能提供关于 6-磷酸葡萄糖水平的清晰、准确的读数。

在实验室验证了传感器之后，团队将研究转向了活细胞，以观察它们在真实生物环境中的表现。他们将传感器引入在培养皿中生长的实验人类细胞中，并使这些细胞面临各种代谢挑战。当他们阻断细胞摄取糖分时，传感器显示出 6-磷酸葡萄糖水平的迅速下降，完全符合预期。当他们添加一种停止细胞处理糖分的药物时，传感器同样显示出快速下降。相反，当他们向被饥饿的细胞重新引入糖分时，传感器亮了起来，表明细胞正在成功地将糖转化为 6-磷酸葡萄糖。这些实验证明，这些传感器能够追踪细胞在应对环境时，这种分子的起伏波动。

研究人员随后将工作推进了一步，在神经元——即构成神经系统的专门化细胞——中测试了这些传感器。已知神经元活动非常活跃，需要持续的能量供应。当团队用电信号刺激这些神经元时，传感器揭示了 6-磷酸葡萄糖水平的立即下降，表明细胞正在迅速消耗其燃料储备来驱动电活动。随后，随着细胞补充供应，水平出现了回升。通过实时观察这些变化，团队能够看到神经元活动与代谢燃料消耗之间的直接联系，而这一过程在旧方法中是无法被观测到的。

为了观察这项技术在整个活体动物中是否有效，研究人员转向了微小的圆线虫（C. elegans）。他们通过工程化手段，让这些蠕虫在特定的感应神经元中产生传感器，这些神经元会对盐浓度变化做出反应。当蠕虫暴露在突然增加的盐分中时，活跃神经元中的传感器显示出 6-磷酸葡萄糖的减少，而处于非活跃状态的神经元中的传感器则显示出增加。这证明了即使在复杂的、运动中的动物体内，传感器也能区分神经系统中不同部分的代谢状态。结果证实，该工具可以揭示在活体生物中，代谢如何响应感觉输入而发生转变。

团队还将传感器应用于胰岛细胞，即负责释放胰岛素的胰腺细胞簇。这些细胞必须感知血液中的糖水平，并通过释放胰岛素来帮助身体利用这些糖。利用这些传感器，研究人员观察了当他们增加细胞周围的糖浓度时会发生什么。他们看到 6-磷酸葡萄糖水平迅速上升，随后引发了其他代谢信号的升高以及钙离子的激增，而钙离子会触发胰岛素的释放。这一系列事件被实时捕捉，为细胞如何感知糖分并将该信号转化为激素反应提供了清晰的图像。

最后，研究人员观察了肝脏，这是一个在管理人体糖分和能量储备方面发挥重要作用的大型器官。肝脏并不是均匀的；靠近带来新鲜含氧血液的血管附近的细胞，其行为方式与靠近器官中心的细胞不同。通过向活体小鼠的肝脏注射传感器，团队能够绘制出 6-磷酸葡萄糖在器官内的分布图。他们发现，位于肝脏中心、更多参与能量储存的细胞，比位于靠近血管、更专注于分解糖分以获取能量的细胞，维持着更高水平的 6-磷酸葡萄糖。这一首次可见的空间图谱显示，代谢活动在同一器官的不同区域之间存在显著差异。

这些传感器的开发标志着观察细胞代谢能力的重大进步。通过提供一种观察 6-磷酸葡萄糖在活细胞及整个动物体内实时变化的方法，研究人员为观察细胞如何管理其能量打开了一扇新的窗口。这种能够观察过程发生而非仅仅从静态快照中推断的能力，让我们对细胞如何做出燃料使用的决策有了更清晰的理解。这一工具使科学家能够观察代谢转变的直接后果，无论是神经元发射电信号、胰腺细胞释放胰岛素，还是肝脏细胞管理能量存储。随着这些传感器的不断完善和应用到新的问题中，它们有望揭示健康与疾病状态下代谢的动态本质，将生命的隐形化学转化为一个可见的、可理解的故事。