聚γ-谷氨酸(γ-PGA)的性质与研究前景*

方 正

（福州第三中学， 福建 福州 350001）

聚γ-谷氨酸(γ-PGA)的性质与研究前景*

方 正

（福州第三中学， 福建 福州 350001）

聚γ-谷氨酸（γ-PGA）是一种具有水溶性、生物相容性、可降解性的阴离子聚酰胺生物材料，由多个谷氨酸经γ-氨基键合而成。文章综述了γ-PGA的结构、理化性质、制备方法以及应用，并对其广阔的开发前景进行展望。

聚γ-谷氨酸；结构；制备；开发；前景

聚γ-谷氨酸（Poly-γ-Glutamic Acid，γ-PGA）是一种天然的聚阴离子聚合物，可生物降解，水溶性好，对环境和人体均无毒性的生物高分子材料。γ-PGA具有很强的吸水能力，能够吸附一些重金属和放射性物质的水溶液，防止其任意扩散，因而可以作为絮凝剂和重金属及放射性物质的吸附载体。又由于γ-PGA具有极佳的成膜性、成纤维性、阻氧性、可塑性、黏结性、保湿性和可生物降解等独特的理化和生物学特性，因而具有增稠、乳化、凝胶、成膜、保湿和黏接等功能，同时，γ-PGA还能作为防冻剂、保湿剂、缓释剂载体和酶固定化材料等而被广泛地应用。

1 γ -PGA的概述

1.1 γ-PGA的分子结构

谷氨酸分子在α-位和γ-位有2个-COOH基团，其均聚物有两种异构体：α-PGA和γ-PGA。化学合成的聚谷氨酸多数为α-PGA，而生物合成的均为γ-PGA。γ-PGA是指D-谷氨酸和L-谷氨酸通过γ-谷氨酰键聚合而成的氨基酸聚合物，主链为聚酰胺结构，在每个重复单元的α碳原子上还有1个羧基。

谷氨酸存在D-和L-型2种手性化学型式，因此γ-PGA有3种立体化学结构：D-谷氨酸组成的均聚物（γ-D-PGA），L-谷氨酸组成的均聚物（γ-L-PGA），D-型和L-型谷氨酸按不同比例组成的共聚物（γ-D/L-PGA）。

γ-PGA是细菌细胞由于分裂或是细胞衰老、自溶而释放到胞外介质中的一种由单一氨基酸聚合而成的聚胺类物质，与蛋白质在诸多方面存在着差异：构成蛋白质的氨基酸种类繁多，而构成聚氨基酸（或至少其骨架上）的氨基酸通常只有一种；各个氨基酸严格按照DNA的编码，通过特定的排序合成一个蛋白质分子，而聚氨基酸的合成则是微生物通过一个特殊的通道合成的；蛋白质中的酰胺键通常形成于α-羧基和α-胺基基团之间，而聚氨基酸中的酰胺键则有多种侧链形式（β-及γ-羧基与ε-胺基基团之间）等。

1.2 γ-PGA的分子量

γ-PGA的相对分子质量通常在105-106范围内，且会随菌种、培养基组成、培养条件和其他一些尚未知的因素发生变化。γ-PGA相对分子质量对其载药效果影响非常大，会影响其对细胞或组织的穿透性。因此选择特定相对分子质量在30-50 kDa的γ-PGA分子作为药物的缓释载体，使其既能选择性地进入肿瘤细胞，又能在降解期间保持一定的缓释率。

通常γ-PGA分子质量可通过下列方法改变：碱性水解，条件温和却不能控制分子的裂解程度；超声波裂解；加热自降解，γ-PGA水溶液在80、100、120 ℃下加热不同的时间都会有自降解现象，且水解度随温度升高而增大；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的理化性质

γ-PGA是一种酸性氨基酸聚合物，等电点为3.47。γ-PGA主链上有大量游离亲水性羧基存在，可在分子内部或分子间形成氢键，具有极高的保湿性和吸水性；γ-PGA中大量的游离羧基还可以结合不同的阳离子，如NH4+，Na+，Mg2+，对金属离子具有良好的吸附性。γ-PGA的某些活性位点为材料的功能化提供了条件，如酯化技术的发展使γ-PGA作为热塑性塑料，将γ-PGA交联作为水凝胶。γ-PGA在生理方面可以防止细胞脱水、保护细胞免受蛋白酶的降解。

2 γ-PGA的制备方法

PGA的制备有3种方法，分别为化学合成法、提取法和微生物发酵法。

2.1 化学合成法

PGA的化学合成最早是由匈牙利学者采用多肽合成法制备的，但是由于该法存在操作繁琐，副产物多，收率低等缺点，因此PGA的化学合成目前尚未在工业中应用。

2.2 提取法

PGA的提取一般采用醇溶法分离制备。但是提取工艺复杂，生产成本较高，使其工业化生产受限。

2.3 微生物发酵法

γ-PGA主要由芽孢杆菌属的细菌发酵生产，是一种胞外多肽，作为某种微生物荚膜的主要成分。根据其营养需求可分为谷氨酸依赖型和非谷氨酸依赖型2种。

生产菌种和环境不同，γ-PGA的生理功能亦会有所差别：土壤细菌（主要是芽孢杆菌属，但不包括炭疽芽孢杆菌）利用释放出的γ-PGA螯合毒性金属离子，并因此增强其在极端环境中的抗性；γ-PGA还可以作为细菌在迟缓期中的谷氨酸的来源；2种高致病性细菌炭疽芽孢杆菌和表皮葡萄球菌合成的表面亲和性的γ-PGA，可使得他们躲避被吞噬的命运，还可使他们作为毒性因子；更有甚者，炭疽芽孢杆菌的荚膜由其D-型对映体构成，能使菌体丧失抗原性。

此外，γ-PGA的产量和性质还受培养基组成、离子强度、通气、搅拌和培养基pH的影响。培养基中L-谷氨酸的含量直接影响着γ-PGA的生产成本，大多数研究认为合适的浓度在20-30 g.L-1；无机盐离子，如CaCl2、MnSO4对PGA的产量和组成也有较大影响，CaCl2能有效降低培养基的粘性并将PGA的产量提高了11.4%；由于高粘度的培养基会降低溶解氧的体积并阻碍溶解氧在培养基中的扩散，因此可以通过搅拌控制营养物质的分散并提高氧气的溶解和扩散，从而提高γ-PGA的产量；细胞通透性关系到胞外营养物质的吸收和γ-PGA的释放，如向培养基中添加适量的甘油、吐温-80或DMSO均能有效提高γ-PGA的产量。也可以利用基因工程菌发酵生产γ-PGA。

3 γ -PGA的应用

3.1 药物中的应用

因生物相容性和可生物降解性，以及侧链上的羧基基团能为药物分子提供聚合位点，γ-PGA一直是药物载体的研究热点。药物分子与γ-PGA的结合提高了药物分子的水溶性，使其接近肿瘤位点并随着γ-PGA大分子的降解缓慢释放出来。且其降解产物，谷氨酸，则进入正常的细胞代谢途径不会经肾脏排出。有报道将天然紫杉酚通过共价键连接到γ-PGA分子上，提高了其水溶性并改善了其药物动力学特性，另外其抗癌活性得到了显著提高。

γ-PGA还可以作为生物粘合剂应用于组织粘合、止血剂等。化学交联的明胶和γ-PGA形成的水凝胶能在动物体内降解而不发生严重的炎症反应，可以作为外伤愈合和止血剂应用于外科手术中。

此外，γ-PGA还能通过与壳聚糖聚合改善壳聚糖的机械强度、表面亲水性、水分吸收速率、溶胀率等制得适合应用于组织工程的支架材料，这种材料还有利于细胞的吸附和增殖。

3.2 化妆品中的应用

γ-PGA是一种极好的亲水性保湿剂，能在皮肤表面形成一层光滑、有弹性、保湿又柔软的薄膜。可作为保湿剂、去死皮及皱纹剂与面霜中的多种组分均匀地混合在一起；γ-PGA还能抑制皮肤中分解透明质酸的透明质酸酶并帮助皮肤保持弹性；γ-PGA还能用于面膜中帮皮肤补充水分并淡化皱纹。

3.3 食品工业中的应用

γ-PGA应用于食品可以作为苦味去除剂，能防止烘焙食品和面条的老化并改善其品质，在冰激凌中作增稠剂；γ-PGA能提高不溶性钙盐的溶解性，能提高人体甚至绝经妇女小肠对钙离子的吸收；动物饲料中添加γ-PGA也能提高动物对矿物质，如磷的吸收，提高蛋壳的硬度。

3.4 废水处理中的应用

γ-PGA由于具备与多种金属离子（如Ni2+、Cu2+、Pb2+、Mn2+和Al3+）螯合的能力，能用于工业废水处理吸附并还原重金属离子[25]；γ-PGA还能吸附碱性染料并将其除去，自身可经还原后重复利用。

γ-PGA还能是很多中有机或无机化合物絮凝，且产自菌株B.subtillis IFO 3335和B.licheniformis CCRC 12826的PGA和产自菌株B.subtilis R-23的γ-PGA有较强的絮凝活性，可用于废水处理、饮用水处理等。

4 展望

γ-PGA是一类由生物合成的、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、水溶性等优点，使其在医药领域、化妆品领域、食品工业以及环境治理等方面应用非常广泛。在注重环保、强调可持续发展的今天，γ-PGA是一种具有极大开发价值和广阔应用前景的多功能新型生物制品。

[1] 程艳玲, 赵玉娥, 王海玉. 生物降解型聚谷氨酸的研究[J]. 北京联合大学学报:自然科学版, 2008, 22(2): 45-49.

[2] 郑重, 吴剑光, 邱乐泉,等. 微生物聚谷氨酸(γ-PGA)合成酶及合成机理的研究进展[J]. 生物技术通报, 2010(6):52-56.

[3] Bajaj I, Singhal R. Poly (glutamic acid)-an emerging biopolymer of commercial interest[J]. Bioresource technology,2011, 102(10): 5551-5561.

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

TQ922+.1

A

1007-550X（2016）10-0052-03

福州市中学生科技创新大赛立项活动资助（2014-2015）。

2016-08-08

方正（2000-），男，安徽黄山人，学生。