聚谷氨酸的生物合成及应用展望

聚谷氨酸的生物合成及应用

引言

γ—聚谷氨酸(γ-PGA)是一种由D-谷氨酸和γ—聚谷氨酸通过γ—聚谷氨酰键结合而成的一种特殊的阴离子聚合物。不同于α多肽，它可以耐受普通蛋白质酶的降解。γ—聚谷氨酸通常由5000个左右的谷氨酸单体组成。相对分子量一般在10万～200万之间，不同分子量大小的γ—聚谷氨酸可以应用于不同的领域[1]。对于微生物合成的γ—聚谷氨酸，可以通过调控发酵条件，使合成反应向着预期的方向进行。最早于1937年lvanovic等发现炭疽芽孢杆菌的荚膜物质的主要成分是D-谷氨酸的聚合物。而1942年Bovafllick等首次发现枯草芽孢杆菌能够产生L-聚谷氨酸，以后进一步发现短小芽孢杆菌及地衣芽孢杆菌等也能产生γ-PGA。由于微生物合成的γ—聚谷氨酸是一种水溶性的、生物可降解的、对人体和环境无害的生物高分子，因此具有广阔的应用前景：可作为增稠剂、保湿剂、苦味掩盖剂、防冻剂、缓释剂、生物粘合剂、药物载体、高分子纤维、高吸水树脂、生物絮凝剂和重金属吸附剂而应用于食品、化妆品、医药、农业及工业等众多领域[2]。

1．γ—聚谷氨酸的微生物合成

γ—聚谷氨酸生产主要有化学合成法、提取法和微生物发酵法3种[3]。化学合成法的合成路线长、副产物多、收率低、难度大，尤其是含20个氨基酸以上的纯多肽合成。因此无工业应用价值。提取法是用用乙醇将纳豆中的PGA分离提取出来。日本生产γ—PGA多采取提取法，但是由于纳豆中所含的γ—聚谷氨酸浓度甚微，且有波动，因此提取工艺十分复杂，生产成本甚高．同样难以大规模生产。相比于以上两种方法微生物合成法具有成本低，工艺相对简单，产量高等的优点，对于实现γ—聚谷氨酸的工业化生产具有难以比拟的优势。但是目前由于至今γ—聚谷氨酸的合成的分子机制研究的尚不清楚以及并未筛选出适于工

业化发酵生产的高产菌株，因此γ—聚谷氨酸的生物合成还面临许多问题。

γ—聚谷氨酸的产生菌主要是芽孢杆菌属的细菌[4]。最早在炭疽芽孢杆菌的荚膜( C a p s u l e ) 中发现的γ-聚谷氨酸，属于组成型，能增强毒力，配合外毒素( E x o t o x i n s ) 抑制宿主的吞噬作用和逃避哺乳动物的免疫防御系统。而适合工业化生产的菌株主要是地衣芽孢杆菌( B．1 i c h e n i f o r ms ) 和枯草芽孢杆菌( B．s u b t i l i s ) ，其合成的γ—聚谷氨酸属于分泌型，通过膜转运到细胞外，作为一种保护因子抵御恶劣环境，或细菌饥饿时的营养物质。γ—聚谷氨酸按照其对谷氨酸的营养需要可以分为两大类[5]：谷氨酸依赖型和非谷氨酸依赖型。需谷氨酸的γ-PGA产生菌，其培养基一般要求谷氨酸维持一种较高的水平．同时混合加入葡萄糖和甘油会增强谷氨酸和柠檬酸(是大部分γ—聚谷氨酸生产菌的最适碳源)的代谢，相应提高了γ—聚谷氨酸的产率。目前研究较多的为前者。谷氨酸作为底物发生聚合作用。谷氨酸非依赖型菌株合成的γ—聚谷氨酸产量较低，但是由于发酵培养基中无需添加谷氨酸，可以大大降低成本而被关注。

γ—聚谷氨酸微生物合成目前还处于实验室阶段，难以进行大规模的工业化生产，其面临的主要问题就是菌株生产能力低下的问题，解决这一问题可以从以下几个方面进行着手：

1.使用传统的方法从环境中筛选高产菌株[6]。使用筛选平板培养基，筛选出长势好的菌落，在对这些菌株摇瓶培养，对发酵液的聚谷氨酸产量进行检测，选出高产菌株作为后续试验菌株。最终经过菌株鉴定等确定高产菌株，并对其产物进行鉴定与表征，确定其是否与聚谷氨酸理论结构相符合。

2.通过诱变育种的方法获得γ—聚谷氨酸的高产菌株[7]。对现有菌株进行诱变处理，使产生菌发生基因突变，通过有效的筛选手段把突变菌中的高产菌株筛选出来，并对其γ—聚谷氨酸产物结构分子量进行分析鉴定。最终确定出适用于工业化生产的菌株，并作保藏。

3.通过对γ—聚谷氨酸的产生基因进行研究[8]，对现有菌株进行基因工程改造，构建工程菌。研究γ—聚谷氨酸合成基因，通过基因工程的手段将这些基因克隆到适当的质粒上，将这些质粒导入到合适的宿主细胞中，构建成可以高效表达γ—聚谷氨酸的工程菌。

4.对现有生产菌种培养条件进行优化以期实现γ—聚谷氨酸的生产能力[9]。对培养基的成分的浓度、比例以及培养条件进行优化，找出培养基培养成分的最佳浓度、配比以及最佳培养条件的i，在此条件下实现生产菌的γ—聚谷氨酸高能力产出。并且对于谷氨酸依赖性生产菌要考察初始谷氨酸的最佳投放量。

2. γ—聚谷氨酸在不同领域的应用

2.1医药领域的应用：

γ—聚谷氨酸在自然界或人体内能被生物降解成内源性物质谷氨酸，是一类理想的体内可生物降解高分子材料。作为某些药物被动靶向载体有以下优点：（1）γ-聚谷氨酸是由天然L型谷氨酸通过酰胺键连接起来的,而不是不可降解的碳碳骨架，因此,γ-聚谷氨酸是生物可降解的且无毒性; (2) 在每个谷氨酸单元中都有一个游离的羧基,从而使得该聚合物是水溶性的。同时,这些游离羧基提供了药物结合的功能位点; ( 3) γ-聚谷氨酸无免疫原性,并通过了临床前研究。例如[10]，非小细胞肺癌一线药物吉西他滨在临床使用时透膜性差．易被脱氨酶降解．生物利用率低。而且易导致骨髓抑制等不良反应使其临床应用受到限制。使用γ—PGA为载体并以适当的氨基酸为连接子制成的偶合物可以利用肿瘤组织的EPR效应将这种抗肿瘤偶合物选择性的投入到肿瘤组织中去，经水解或者酶解释放出游离药物，发挥细胞毒作用，从而提高药物在肿瘤组织的浓度，减少系统毒性。

2.2 食品领域

在淀粉类食品中加入γ-PGA 可以防止食品老化，增强质地、维持外形。γ-PGA 还用作冰淇凌的稳定剂、果汁的增稠剂、各种食品的苦味祛除剂、保健食品、安定剂或作为添加剂改善口感。由于γ-PGA能增加细胞内和细胞外Ca2+的可溶性，及肠内Ca2+的吸收，因此γ-PGA及其盐可作为营养助剂用于膳食产品中[11]。γ-PGA 经消化水解后，成为谷氨酸这种单一氨基酸，将被人体吸收利用。因此，作为添加剂的γ-PGA既可以改善食品风味，又可以强化食品营养。

2.3 农业领域

γ-聚谷氨酸作为一种对环境无害的肥料增效剂而用于增加营养的利用、提高农作物的产量和质量，缓和肥料的过度使用，最终减轻环境污染；在珍稀花卉、苗木的运输中。可保持根系水分。有保鲜作用；在干旱地区，可用其处理种籽，使其外部形成γ—聚谷氨酸保湿膜，利于种子发芽、出苗[12]；在沙漠改造中，利用超强吸水树脂(可吸水达3500倍)来减少沙土的水分蒸发量．以防止沙质土壤水分的过分流失。加强土壤对水的吸收能力。而且可以保持土壤结构的稳定性，改良土壤。γ—聚谷氨酸的出现给沙漠变绿洲带来了新的希望。例如：使用蒙脱土对γ—聚谷氨酸进行改性。以聚乙二醇所说甘油醚为交联剂，在水溶液中制备得到复合材料，通过控制蒙脱土的添加量获得不同性质的复合物，所得到的新型材料在吸水率、保水率和玻璃化温度上（Tg）上都有较大的改善，从而成为一种有前途的新型高分子树脂。

2.4工业领域

γ-聚谷氨酸可作为重金属吸附剂、螯合剂来处理重金属离子溶液以便回收贵重金属，对冶金、工矿污水、电镀废水等的处理极有价值，可用于突破环境污染这一难题。在石油工业中用作油田处理剂、油水分离剂、油田勘探中用作钻头的润滑剂、泥浆的凝胶剂。其还可作为出色的绿色塑料，广泛用于从食品包装到一次性餐具及其他各种工业用途中，在自然界可迅速降解，不会造成环境污染。例如[13]，使用γ-聚谷氨酸制备的微生物新型絮凝剂可以用来啤酒厂的污水处理，可以达到较好的COD去除率，并且不会形成二次污染。小分子γ-聚谷氨酸具有优良的阻垢效果，作为环保型阻垢剂，所使用的水体pH范围广。鉴于其优良的性能和制备简单的优点，因此具有很大的水处理应用潜力来替代传统的石化阻垢剂[14]。

2.5日用品领域

γ-聚谷氨酸在化妆品药典上的国际命名是：纳豆胶（Natto Gum）。γ-聚谷氨酸水胶为无色无味透明柔软胶质，由于其三度空间的格子结构，具有高超的吸水和缓释能力。此外，亦具成膜特性，加上柔滑功能大，尤其是超强5000倍吸水保湿能力，最适合化妆品提升保湿功效。γ-PGA 可提升皮肤长效高保湿功效；可有效减少水分通过皮肤散失；可促进皮肤组织弹性；可提升皮肤天然保湿成分；具有皮肤美白效果。利用γ-聚谷氨酸还可生产一种新型护发液。这种新型护发液涂抹在头发表层，形成的薄膜不仅能防止头发内水分的蒸发，而且其中的黏性成分还能发挥类似胶水的作用，修复即将脱落的毛鳞片。掺入γ-聚谷氨酸成分的尿布、卫生巾吸收水分的能力比传统纸质尿布强2~5 倍。此外，γ-聚谷氨酸良好的生物降解性和生物相容性了其产品的无污染和无毒副作用特性。

3小结

近年来，γ—聚谷氨酸的应用已受到国内外研究者的重视。尤其是γ—聚谷氨酸的产生菌、发酵条件、应用范围以及生物合成机制方面的研究．但仍有许多问题有待解决。如目前有效合成高分子量的γ—聚谷氨酸的研究进展不大，因合成γ—聚谷氨酸的常用菌(包括纳豆茵)在合成γ—聚谷氨酸过程中其降解也同时被启动㈣；对药物靶向输送机制的进一步明确