聚γ-谷氨酸(γ-PGA)的性質與研究前景*

方 正

（福州第三中學， 福建 福州 350001）

聚γ-谷氨酸(γ-PGA)的性質與研究前景*

方 正

（福州第三中學， 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γ-氨基鍵合而成。文章綜述了γ-PGA的結構、理化性質、制備方法以及應用，并對其廣闊的開發前景進行展望。

聚γ-谷氨酸；結構；制備；開發；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，對環境和人體均無毒性的生物高分子材料。γ-PGA具有很強的吸水能力，能夠吸附一些重金屬和放射性物質的水溶液，防止其任意擴散，因而可以作為絮凝劑和重金屬及放射性物質的吸附載體。又由于γ-PGA具有極佳的成膜性、成纖維性、阻氧性、可塑性、黏結性、保濕性和可生物降解等獨特的理化和生物學特性，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用。

1 γ -PGA的概述

1.1 γ-PGA的分子結構

谷氨酸分子在α-位和γ-位有2個-COOH基團，其均聚物有兩種異構體：α-PGA和γ-PGA。化學合成的聚谷氨酸多數為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，主鏈為聚酰胺結構，在每個重復單元的α碳原子上還有1個羧基。

谷氨酸存在D-和L-型2種手性化學型式，因此γ-PGA有3種立體化學結構：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是細菌細胞由于分裂或是細胞衰老、自溶而釋放到胞外介質中的一種由單一氨基酸聚合而成的聚胺類物質，與蛋白質在諸多方面存在著差異：構成蛋白質的氨基酸種類繁多，而構成聚氨基酸（或至少其骨架上）的氨基酸通常只有一種；各個氨基酸嚴格按照DNA的編碼，通過特定的排序合成一個蛋白質分子，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；蛋白質中的酰胺鍵通常形成于α-羧基和α-胺基基團之間，而聚氨基酸中的酰胺鍵則有多種側鏈形式（β-及γ-羧基與ε-胺基基團之間）等。

1.2 γ-PGA的分子量

γ-PGA的相對分子質量通常在105-106范圍內，且會隨菌種、培養基組成、培養條件和其他一些尚未知的因素發生變化。γ-PGA相對分子質量對其載藥效果影響非常大，會影響其對細胞或組織的穿透性。因此選擇特定相對分子質量在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入腫瘤細胞，又能在降解期間保持一定的緩釋率。

通常γ-PGA分子質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

γ-PGA是一種酸性氨基酸聚合物，等電點為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的某些活性位點為材料的功能化提供了條件，如酯化技術的發展使γ-PGA作為熱塑性塑料，將γ-PGA交聯作為水凝膠。γ-PGA在生理方面可以防止細胞脫水、保護細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，分別為化學合成法、提取法和微生物發酵法。

2.1 化學合成法

PGA的化學合成最早是由匈牙利學者采用多肽合成法制備的，但是由于該法存在操作繁瑣，副產物多，收率低等缺點，因此PGA的化學合成目前尚未在工業中應用。

2.2 提取法

PGA的提取一般采用醇溶法分離制備。但是提取工藝復雜，生產成本較高，使其工業化生產受限。

2.3 微生物發酵法

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

生產菌種和環境不同，γ-PGA的生理功能亦會有所差別：土壤細菌（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，并因此增強其在極端環境中的抗性；γ-PGA還可以作為細菌在遲緩期中的谷氨酸的來源；2種高致病性細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，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-型對映體構成，能使菌體喪失抗原性。

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

3 γ -PGA的應用

3.1 藥物中的應用

因生物相容性和可生物降解性，以及側鏈上的羧基基團能為藥物分子提供聚合位點，γ-PGA一直是藥物載體的研究熱點。藥物分子與γ-PGA的結合提高了藥物分子的水溶性，使其接近腫瘤位點并隨著γ-PGA大分子的降解緩慢釋放出來。且其降解產物，谷氨酸，則進入正常的細胞代謝途徑不會經腎臟排出。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用于組織粘合、止血劑等。化學交聯的明膠和γ-PGA形成的水凝膠能在動物體內降解而不發生嚴重的炎癥反應，可以作為外傷愈合和止血劑應用于外科手術中。

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

3.2 化妝品中的應用

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酸的透明質酸酶并幫助皮膚保持彈性；γ-PGA還能用于面膜中幫皮膚補充水分并淡化皺紋。

3.3 食品工業中的應用

γ-PGA應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，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，如磷的吸收，提高蛋殼的硬度。

3.4 廢水處理中的應用

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，自身可經還原后重復利用。

γ-PGA還能是很多中有機或無機化合物絮凝，且產自菌株B.subtillis IFO 3335和B.licheniformis CCRC 12826的PGA和產自菌株B.subtilis R-23的γ-PGA有較強的絮凝活性，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、水溶性等優點，使其在醫藥領域、化妝品領域、食品工業以及環境治理等方面應用非常廣泛。在注重環保、強調可持續發展的今天，γ-PGA是一種具有極大開發價值和廣闊應用前景的多功能新型生物制品。

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TQ922+.1

A

1007-550X（2016）10-0052-03

福州市中學生科技創新大賽立項活動資助（2014-2015）。

2016-08-08

方正（2000-），男，安徽黃山人，學生。