제 2 형 당뇨병은 전체 당뇨병 중 90%이상을 차지하며 모든 연령대에서 나타나는 흔한 질병이다. 제 2 형 당뇨병의 치료로는 경구 투여 약물인 메트포르민이 주로 제 1 차 약제로 사용된다. 간으로 이동한 메트포르민은 간에서 adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK)의 T172 를 인산화시켜 간에서의 포도당 합성을 저해해 혈당을 낮춘다. 하지만, 최근 연구에서 장내 미생물에 의해 생산되는 대사산물인 이미다졸 프로피온산이 메트포르민의 활성을 저해한다는 것이 보고됐다. 이미다졸 프로피온산은 kinase 인 Akt 의 인산화를 매개하고 이는 AMPK의 S485 를 인산화시키면서 메트포르민의 AMPK 활성화 기작을 억제한다. 추가로 같은 저자들은 이미다졸 프로피온산가 mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1)의 활성화를 매개로 insulin receptor substrate (IRS)의 세린의 인산화를 유도하여 IRS 의 분해를 억제함으로써 인슐린 신호 전달 및 내당성을 손상시킨다는 것을 입증했다. 이러한 이미다졸 프로피온산은 당뇨병 전단계 및 당뇨병이 있는 피험자의 혈청에서 그 수치가 증가하며, 메트포르민 투여 시 더 증가하는 것으로 밝혀졌다. 따라서 장 내에서의 이미다졸 프로피온산의 과생성은 제 2 형 당뇨병에 부정적인 영향을 미치며, 이를 위한 해결방법은 아직 보고된 바가 없다. 메트포르민 투여와 함께 이미다졸 프로피온산의 높아진 농도를 낮추기 위해서 장 내에서 메트포르민 및 이미다졸 프로피온산의 농도를 직접 감지하여 이미다졸 프로피온산의 분해가 실시간으로 이뤄지도록 하는 방법은 이러한 문제를 해결하기에 유망하다. 이를 위해서는 메트포르민 및 이미다졸 프로피온산 농도 감지, 이미다졸 프로피온산 생산 미생물 균주 발굴, 이미다졸 프로피온산 분해 효소 발굴 및 개량 등의 선행연구가 필요하며, 이를 종합하면 더 효율적인 제 2 형 당뇨병 치료제의 개발이 가능해질 것이다. 유전자에 암호화된 바이오센서는 특정 화합물에 의존하여 원하는 유전자의 발현을 조절하는 능력으로, 다양한 분야에 활용되어왔다. 그 중 RNA 기반의 바이오센서는 설계의 용이성, 높은 프로그램화, 낮은 세포 자원 사용 등의 장점으로 최근 합성생물학 분야에서 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 앞서 언급한 각 연구들에 유용하게 사용될 수 있는 메트포르민, 이미다졸 프로피온산 의존 RNA 기반의 인공적인 유전자 발현 도구를 개발한다. 이 유전자 발현 조절 도구는 RNA 압타머와 전사 종결을 조절하는 STAR 라고 하는 작은 RNA 분자로 구성되어 있다. RNA 압타머의 개발을 위한 라이브러리는 무작위 서열 영역에 STAR 활성을 막기 위한 STAR 에 상보적인 서열이 추가되어 설계되었다. 라이브러리의 다양한 서열 중 메트포르민과 이미다졸 프로피온산에 결합하는 압타머 서열은 시험관 내 인공진화 방법을 통해 농축되었다. 총 15 회에 걸쳐 선별 과정이 진행되었으며, 그 중 가장 많이 회수된 15 회차의 메트포르민 반응 RNA 압타머, 13 회차의 이미다졸 프로피온산 반응 RNA 압타머는 DNA 로 전환되어 STAR 서열이 존재하는 플라스미드에 통합되었다. STAR 구조에 대한 압타머 서열의 영향을 고려하여, 압타머는 STAR 의 5'이나 3' 혹은 아예 분리되어 위치했다. 이렇게 구축된 유전자 발현 조절 암호화 플라스미드는 대장균에 도입되어 생체 내에서 메트포르민 혹은 이미다졸 프로피온산에 반응하는 기능적인 도구가 선별되도록 하였다. 우리는 우선 생체 내 선별을 위해서 유전자 발현 도구 라이브러리의 형광을 측정하여, 화합물 농도에 따라 기본적인 STAR 의 형광 변화에 영향을 받지 않으면서, 화합물 유무에 따른 형광 차이가 크게 나타나는 최적의 화합물 농도와 배양시간을 선택했다. 이를 통해 50 mM 의 메트포르민 또는 100 mM 의 이미다졸 프로피온산 농도로 4 시간 배양하는 것이 최적의 조건임을 알아냈다. 이후 FACS 를 통해 화합물 농도의 유무에 따라 형광 세기 차이를 보이는 세포만이 분리되어 회수되었다. 이러한 과정의 반복으로 생체 내에서 메트포르민 또는 이미다졸 프로피온산에 의존하여 유전자가 발현되는 유전자 발현 조절 도구가 성공적으로 농축될 수 있다. 이렇게 개발된 유전자 발현 조절 도구는 메트포르민 또는 이미다졸 프로피온산에만 특이적으로 반응하는지, RNA 압타머와 화합물 사이의 친화력이나 민감도는 어느 정도인지 등이 조사될 수 있고, 두 유전자 발현 조절 도구와 다양한 STAR 변이체를 활용하여 논리 회로가 구축될 수 있다. 이러한 과정을 통해 개발된 회로는 메트포르민의 치료 효능 저해 현상 진단, 이미다졸 프로피온산 생산 미생물 규명 및 분해 효소 발굴, 개발 연구에서 유용하게 활용될 수 있다. 또한 이러한 연구 개발들은 미생물 치료제에 통합되어 제 2 형 당뇨병 치료를 위한 새로운 길을 제시할 수 있다.