聚γ-谷氨酸(γ-PGA)的性質(zhì)與研究前景*

方 正

（福州第三中學(xué)， 福建 福州 350001）

聚γ-谷氨酸(γ-PGA)的性質(zhì)與研究前景*

方 正

（福州第三中學(xué)， 福建 福州 350001）

聚γ-谷氨酸（γ-PGA）是一種具有水溶性、生物相容性、可降解性的陰離子聚酰胺生物材料，由多個谷氨酸經(jīng)γ-氨基鍵合而成。文章綜述了γ-PGA的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、制備方法以及應(yīng)用，并對其廣闊的開發(fā)前景進(jìn)行展望。

聚γ-谷氨酸；結(jié)構(gòu)；制備；開發(fā)；前景

聚γ-谷氨酸（Poly-γ-Glutamic Acid，γ-PGA）是一種天然的聚陰離子聚合物，可生物降解，水溶性好，對環(huán)境和人體均無毒性的生物高分子材料。γ-PGA具有很強(qiáng)的吸水能力，能夠吸附一些重金屬和放射性物質(zhì)的水溶液，防止其任意擴(kuò)散，因而可以作為絮凝劑和重金屬及放射性物質(zhì)的吸附載體。又由于γ-PGA具有極佳的成膜性、成纖維性、阻氧性、可塑性、黏結(jié)性、保濕性和可生物降解等獨(dú)特的理化和生物學(xué)特性，因而具有增稠、乳化、凝膠、成膜、保濕和黏接等功能，同時，γ-PGA還能作為防凍劑、保濕劑、緩釋劑載體和酶固定化材料等而被廣泛地應(yīng)用。

1 γ -PGA的概述

1.1 γ-PGA的分子結(jié)構(gòu)

谷氨酸分子在α-位和γ-位有2個-COOH基團(tuán)，其均聚物有兩種異構(gòu)體：α-PGA和γ-PGA。化學(xué)合成的聚谷氨酸多數(shù)為α-PGA，而生物合成的均為γ-PGA。γ-PGA是指D-谷氨酸和L-谷氨酸通過γ-谷氨酰鍵聚合而成的氨基酸聚合物，主鏈為聚酰胺結(jié)構(gòu)，在每個重復(fù)單元的α碳原子上還有1個羧基。

谷氨酸存在D-和L-型2種手性化學(xué)型式，因此γ-PGA有3種立體化學(xué)結(jié)構(gòu)：D-谷氨酸組成的均聚物（γ-D-PGA），L-谷氨酸組成的均聚物（γ-L-PGA），D-型和L-型谷氨酸按不同比例組成的共聚物（γ-D/L-PGA）。

γ-PGA是細(xì)菌細(xì)胞由于分裂或是細(xì)胞衰老、自溶而釋放到胞外介質(zhì)中的一種由單一氨基酸聚合而成的聚胺類物質(zhì)，與蛋白質(zhì)在諸多方面存在著差異：構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸種類繁多，而構(gòu)成聚氨基酸（或至少其骨架上）的氨基酸通常只有一種；各個氨基酸嚴(yán)格按照DNA的編碼，通過特定的排序合成一個蛋白質(zhì)分子，而聚氨基酸的合成則是微生物通過一個特殊的通道合成的；蛋白質(zhì)中的酰胺鍵通常形成于α-羧基和α-胺基基團(tuán)之間，而聚氨基酸中的酰胺鍵則有多種側(cè)鏈形式（β-及γ-羧基與ε-胺基基團(tuán)之間）等。

1.2 γ-PGA的分子量

γ-PGA的相對分子質(zhì)量通常在105-106范圍內(nèi)，且會隨菌種、培養(yǎng)基組成、培養(yǎng)條件和其他一些尚未知的因素發(fā)生變化。γ-PGA相對分子質(zhì)量對其載藥效果影響非常大，會影響其對細(xì)胞或組織的穿透性。因此選擇特定相對分子質(zhì)量在30-50 kDa的γ-PGA分子作為藥物的緩釋載體，使其既能選擇性地進(jìn)入腫瘤細(xì)胞，又能在降解期間保持一定的緩釋率。

通常γ-PGA分子質(zhì)量可通過下列方法改變：堿性水解，條件溫和卻不能控制分子的裂解程度；超聲波裂解；加熱自降解，γ-PGA水溶液在80、100、120 ℃下加熱不同的時間都會有自降解現(xiàn)象，且水解度隨溫度升高而增大；微生物及酶法降解，一般包括解聚酶和聚谷胺酰基水解酶。

1.3 γ-PGA的理化性質(zhì)

γ-PGA是一種酸性氨基酸聚合物，等電點(diǎn)為3.47。γ-PGA主鏈上有大量游離親水性羧基存在，可在分子內(nèi)部或分子間形成氫鍵，具有極高的保濕性和吸水性；γ-PGA中大量的游離羧基還可以結(jié)合不同的陽離子，如NH4+，Na+，Mg2+，對金屬離子具有良好的吸附性。γ-PGA的某些活性位點(diǎn)為材料的功能化提供了條件，如酯化技術(shù)的發(fā)展使γ-PGA作為熱塑性塑料，將γ-PGA交聯(lián)作為水凝膠。γ-PGA在生理方面可以防止細(xì)胞脫水、保護(hù)細(xì)胞免受蛋白酶的降解。

2 γ-PGA的制備方法

PGA的制備有3種方法，分別為化學(xué)合成法、提取法和微生物發(fā)酵法。

2.1 化學(xué)合成法

PGA的化學(xué)合成最早是由匈牙利學(xué)者采用多肽合成法制備的，但是由于該法存在操作繁瑣，副產(chǎn)物多，收率低等缺點(diǎn)，因此PGA的化學(xué)合成目前尚未在工業(yè)中應(yīng)用。

2.2 提取法

PGA的提取一般采用醇溶法分離制備。但是提取工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，使其工業(yè)化生產(chǎn)受限。

2.3 微生物發(fā)酵法

γ-PGA主要由芽孢桿菌屬的細(xì)菌發(fā)酵生產(chǎn)，是一種胞外多肽，作為某種微生物莢膜的主要成分。根據(jù)其營養(yǎng)需求可分為谷氨酸依賴型和非谷氨酸依賴型2種。

生產(chǎn)菌種和環(huán)境不同，γ-PGA的生理功能亦會有所差別：土壤細(xì)菌（主要是芽孢桿菌屬，但不包括炭疽芽孢桿菌）利用釋放出的γ-PGA螯合毒性金屬離子，并因此增強(qiáng)其在極端環(huán)境中的抗性；γ-PGA還可以作為細(xì)菌在遲緩期中的谷氨酸的來源；2種高致病性細(xì)菌炭疽芽孢桿菌和表皮葡萄球菌合成的表面親和性的γ-PGA，可使得他們躲避被吞噬的命運(yùn)，還可使他們作為毒性因子；更有甚者，炭疽芽孢桿菌的莢膜由其D-型對映體構(gòu)成，能使菌體喪失抗原性。

此外，γ-PGA的產(chǎn)量和性質(zhì)還受培養(yǎng)基組成、離子強(qiáng)度、通氣、攪拌和培養(yǎng)基pH的影響。培養(yǎng)基中L-谷氨酸的含量直接影響著γ-PGA的生產(chǎn)成本，大多數(shù)研究認(rèn)為合適的濃度在20-30 g.L-1；無機(jī)鹽離子，如CaCl2、MnSO4對PGA的產(chǎn)量和組成也有較大影響，CaCl2能有效降低培養(yǎng)基的粘性并將PGA的產(chǎn)量提高了11.4%；由于高粘度的培養(yǎng)基會降低溶解氧的體積并阻礙溶解氧在培養(yǎng)基中的擴(kuò)散，因此可以通過攪拌控制營養(yǎng)物質(zhì)的分散并提高氧氣的溶解和擴(kuò)散，從而提高γ-PGA的產(chǎn)量；細(xì)胞通透性關(guān)系到胞外營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和γ-PGA的釋放，如向培養(yǎng)基中添加適量的甘油、吐溫-80或DMSO均能有效提高γ-PGA的產(chǎn)量。也可以利用基因工程菌發(fā)酵生產(chǎn)γ-PGA。

3 γ -PGA的應(yīng)用

3.1 藥物中的應(yīng)用

因生物相容性和可生物降解性，以及側(cè)鏈上的羧基基團(tuán)能為藥物分子提供聚合位點(diǎn)，γ-PGA一直是藥物載體的研究熱點(diǎn)。藥物分子與γ-PGA的結(jié)合提高了藥物分子的水溶性，使其接近腫瘤位點(diǎn)并隨著γ-PGA大分子的降解緩慢釋放出來。且其降解產(chǎn)物，谷氨酸，則進(jìn)入正常的細(xì)胞代謝途徑不會經(jīng)腎臟排出。有報道將天然紫杉酚通過共價鍵連接到γ-PGA分子上，提高了其水溶性并改善了其藥物動力學(xué)特性，另外其抗癌活性得到了顯著提高。

γ-PGA還可以作為生物粘合劑應(yīng)用于組織粘合、止血劑等。化學(xué)交聯(lián)的明膠和γ-PGA形成的水凝膠能在動物體內(nèi)降解而不發(fā)生嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)，可以作為外傷愈合和止血劑應(yīng)用于外科手術(shù)中。

此外，γ-PGA還能通過與殼聚糖聚合改善殼聚糖的機(jī)械強(qiáng)度、表面親水性、水分吸收速率、溶脹率等制得適合應(yīng)用于組織工程的支架材料，這種材料還有利于細(xì)胞的吸附和增殖。

3.2 化妝品中的應(yīng)用

γ-PGA是一種極好的親水性保濕劑，能在皮膚表面形成一層光滑、有彈性、保濕又柔軟的薄膜。可作為保濕劑、去死皮及皺紋劑與面霜中的多種組分均勻地混合在一起；γ-PGA還能抑制皮膚中分解透明質(zhì)酸的透明質(zhì)酸酶并幫助皮膚保持彈性；γ-PGA還能用于面膜中幫皮膚補(bǔ)充水分并淡化皺紋。

3.3 食品工業(yè)中的應(yīng)用

γ-PGA應(yīng)用于食品可以作為苦味去除劑，能防止烘焙食品和面條的老化并改善其品質(zhì)，在冰激凌中作增稠劑；γ-PGA能提高不溶性鈣鹽的溶解性，能提高人體甚至絕經(jīng)婦女小腸對鈣離子的吸收；動物飼料中添加γ-PGA也能提高動物對礦物質(zhì)，如磷的吸收，提高蛋殼的硬度。

3.4 廢水處理中的應(yīng)用

γ-PGA由于具備與多種金屬離子（如Ni2+、Cu2+、Pb2+、Mn2+和Al3+）螯合的能力，能用于工業(yè)廢水處理吸附并還原重金屬離子[25]；γ-PGA還能吸附堿性染料并將其除去，自身可經(jīng)還原后重復(fù)利用。

γ-PGA還能是很多中有機(jī)或無機(jī)化合物絮凝，且產(chǎn)自菌株B.subtillis IFO 3335和B.licheniformis CCRC 12826的PGA和產(chǎn)自菌株B.subtilis R-23的γ-PGA有較強(qiáng)的絮凝活性，可用于廢水處理、飲用水處理等。

4 展望

γ-PGA是一類由生物合成的、可降解型的高分子功能材料，由于其具有良好的生物相容性、水溶性等優(yōu)點(diǎn)，使其在醫(yī)藥領(lǐng)域、化妝品領(lǐng)域、食品工業(yè)以及環(huán)境治理等方面應(yīng)用非常廣泛。在注重環(huán)保、強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的今天，γ-PGA是一種具有極大開發(fā)價值和廣闊應(yīng)用前景的多功能新型生物制品。

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10.3969/j.issn.1007-550X.2016.10.005

TQ922+.1

A

1007-550X（2016）10-0052-03

福州市中學(xué)生科技創(chuàng)新大賽立項活動資助（2014-2015）。

2016-08-08

方正（2000-），男，安徽黃山人，學(xué)生。