γ-聚谷氨酸的微生物合成、相关基因及应用展望

γ-聚谷氨酸是一种具有极强水溶性、生物相容性、可完全降解性的环境友好型新材料。介绍γ-聚谷氨酸的基本性质、微生物合成及其影响因素,综述其合成相关基因、合成酶复合体的研究进展及在水凝胶和药物载体方面的应用前景。     

聚谷氨酸衍生物及其在生物医药领域中的应用

聚谷氨酸衍生物是在γ-聚谷氨酸的基础上发展而来的,具有独特的结构和性能,在医药领域中有潜在的应用价值。聚谷氨酸衍生物按照其设计和制备特点,可分成3种类型:γ-聚谷氨酸修饰衍生物、含谷氨酸结构单元的衍生物和γ-聚谷氨酸交联衍生物。现分别介绍不同类型衍生物的合成思路、性质特征和具体应用。这将有助于γ-聚谷氨酸衍生物在医药领域的研究和应用,同时也能为这一领域其他高分子材料的开发提供借鉴。     

谷氨酸棒杆菌一步法发酵糖质原料生产γ-聚谷氨酸

γ-聚谷氨酸在食品、化妆品、生物医药等领域具有广泛的应用,目前主要的生产菌株是谷氨酸依赖型菌株,在生产过程中需要添加谷氨酸作为前体,因而生产γ-聚谷氨酸的成本较高。文中主要研究从糖质原料一步法发酵合成γ-聚谷氨酸的生产工艺。首先,从产γ-聚谷氨酸的菌株枯草芽孢杆菌中克隆γ-聚谷氨酸合成酶的基因簇pgs BCA,在谷氨酸棒杆菌模式菌株ATCC13032中进行诱导型和组成型表达,结果显示,仅诱导型表达菌株可以积累γ-聚谷氨酸,产量为1.43 g/L。进一步对诱导条件进行优化,确定诱导时间为2 h,IPTG浓度为0.8 mmol/L,γ-聚谷氨酸产量为1.98g/L。在此基础上,在一株高产谷氨酸的谷氨酸棒杆菌F343中外源表达pgs BCA,对重组菌进行发酵,结果表明,在摇瓶发酵中γ-聚谷氨酸产量达到10.23g/L,在5L发酵罐中产量达到20.08g/L;继而对γ-聚谷氨酸进行分子量测定,结果显示,产自F343重组菌的γ-聚谷氨酸的重均分子量比产自枯草芽孢杆菌的提高34.77%。文中构建了一步法发酵糖质原料生产γ-聚谷氨酸的新途径,同时为开发其潜在应用奠定了基础。     

不同分子量γ-聚谷氨酸的生物合成

【背景】不同分子量的γ-聚谷氨酸在农业、化妆品和医药领域具有重要的应用价值,开发不同分子量γ-聚谷氨酸的生物合成工艺已成为研究热点。【目的】在γ-聚谷氨酸生产菌株枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis) KH2中实现不同分子量γ-聚谷氨酸的合成。【方法】分别克隆表达不同来源的水解酶,包括B.subtilis来源的γ-聚谷氨酸水解酶PgdS和YwtE,以及地衣芽孢杆菌来源的SGH。研究不同来源水解酶对B. subtilis KH2产γ-聚谷氨酸分子量的影响。通过改变水解酶处理条件获得不同分子量γ-聚谷氨酸的生物合成工艺。【结果】PgdS、YwtE和SGH均可降低γ-聚谷氨酸的分子量,其中PgdS水解效果最好,可以将γ-聚谷氨酸分子量由原来的1 600 kDa降低为180 kDa。通过优化PgdS的添加量与添加时间,在B. subtilis KH2中获得了分子量为210–600 kDa的γ-聚谷氨酸。【结论】利用水解酶处理,可以在B. subtilis KH2中实现不同分子量γ-聚谷氨酸的生物合成。该方法反应条件温和、分子量可控区间宽,具有良好的应用前景。     

高分子量聚谷氨酸的微生物合成及其发酵过程的研究

目的：以枯草芽孢杆菌纳豆亚种为出发菌株,考察不同碳氮源及NaCl浓度、谷氨酸、种龄、接种量对微生物发酵产1-聚谷氨酸的影响,以提高γ-聚谷氨酸的产量。方法：该菌菌种活化后,接入种子培养基,于37℃、200r／min震荡培养18h,然后按2％接种量接入不同发酵培养基进行发酵培养。γ-聚谷氨酸分离纯化后,根据其产量筛选最适发酵培养基组成及发酵条件,并对产物进行分析测定。结果：①最佳碳氮源分别为葡萄糖、蛋白胨,NaCl浓度为30g／L、种龄15h、接种量3％,且需在培养基中添加谷氨酸。②该菌株在最适条件下发酵56h时,γ-聚谷氨酸产量达32．7g／L,凝胶渗透色谱分析其相对分子质量为426kDa,呈多分子质量聚集体形式。③γ-聚谷氨酸的合成与菌体生长并非完全同步。结论：γ-聚谷氨酸作为一种天然的、可生物降解的、对环境和人体无害的多聚物,可由微生物发酵合成,且在此适宜条件下产量较高。     

γ-聚谷氨酸的性质与生产方法

介绍了γ-聚谷氨酸的结构、理化性质及其用途。从国内外生产γ-聚谷氨酸的方法着手,综述了不同的合成方法以及各自的优缺点,重点介绍了微生物法合成γ-聚谷氨酸的途径,对新方法进行了展望。     

以聚γ-谷氨酸为材质研制微胶囊的工艺

微胶囊制剂能够利用壁材将囊芯物质包裹起来,减少外界环境的不良因素对其造成的影响,但存在产品残效期和速效性的矛盾、成本过高等问题。聚γ-谷氨酸具有成膜性,可生物降解。本文通过自制的枯草芽胞杆菌聚γ-谷氨酸,对开发聚γ-谷氨酸微胶囊的工艺展开研究。对壁材浓度、搅拌转速、反应温度、聚γ-谷氨酸∶明胶质量比、菌悬液体积和甲醛的用量进行优化,建立了聚γ-谷氨酸微胶囊制备工艺,微胶囊对枯草芽胞杆菌的包埋率达到94.2%。同时考察了微胶囊制剂对热、紫外线和极端pH的抗逆性,结果表明聚γ-谷氨酸-明胶微胶囊能赋予微生物细胞更强的抗紫外能力和耐热性。在极端pH条件下热处理,聚γ-谷氨酸-明胶微胶囊剂中枯草芽胞杆菌的存活率也显著提高。     

地衣芽胞杆菌WX-02联产聚γ谷氨酸和2,3-丁二醇培养基的优化

聚γ谷氨酸和2,3-丁二醇是两种重要的化合物,广泛运用于能源、医药、农业等领域。地衣芽胞杆菌WX-02具有同时合成聚γ谷氨酸和2,3-丁二醇的能力。优化了地衣芽胞杆菌WX-02联产聚γ谷氨酸和2,3-丁二醇的发酵培养基,并进行了50 L发酵罐小试放大。分批发酵结果显示,采用优化后的培养基,聚γ谷氨酸和2,3-丁二醇的产量分别为42.5 g/L和76.13 g/L,比优化前分别提高了26.5%和188%。在联产发酵中聚γ谷氨酸和2,3-丁二醇的产量能够分别达到单独合成这两种物质的水平,为工业化联产聚γ谷氨酸和2,3-丁二醇奠定了基础。     

枯草杆菌 SBS液体发酵联产血栓溶解酶和γ-聚谷氨酸

【目的】利用枯草芽胞杆菌(Bacillus subtilis SBS)进行联产血栓溶解酶和γ-聚谷氨酸研究【方法】本研究以实验室自行分离的Bacillus subtilis SBS为出发菌株,进行了液体发酵,通过正交实验研究了碳、氮源对血栓溶解酶和γ-聚谷氨酸联产的影响,并运用多种检测方法对产物进行了鉴定。【结果】在未添加谷氨酸的培养基中合成了γ-聚谷氨酸,表明该菌是非谷氨酸依赖型菌。合成血栓溶解酶的合适碳、氮源分别是可溶性淀粉和大豆蛋白胨,合成γ-聚谷氨酸的合适碳、氮源分别是蔗糖和NH4Cl。【结论】以蔗糖和大豆蛋白胨、NH4Cl分别作为碳源和氮源进行血栓溶解酶和γ-聚谷氨酸的联产。在蔗糖 10 g/L、大豆蛋白胨 20 g/L、NH4Cl 8 g/L时,血栓溶解酶酶活为 265±25 IU/mL,γ-聚谷氨酸产量为1.183±0.015 g/L,均接近了单独合成时的水平。     

可生物降解的吸水凝胶

可生物降解的吸水凝胶日本国立材料和化学研究所最近研制成功了一种可生物降解的吸水凝胶。这种凝胶的制造方法是：首先获取枯草芽抱杆菌产生的聚－γ－谷氨酸（ＰＧＡ），然后用５千戈瑞的γ射线照射含５％ＰＧＡ（重量百分数）的水，使得ＰＧＡ中发生桥连反应。这样便可...     

一株γ-聚谷氨酸合成菌的筛选与鉴定

从土壤中筛选分离获得一株γ-聚谷氨酸合成菌PGS-1,经鉴定为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis),在富含谷氨酸和葡萄糖的培养基中可大量合成γ-聚谷氨酸,摇瓶发酵产量达26 g/L,不同于大多文献报道的微生物合成的γ-聚谷氨酸具有较高的分子量,该菌株合成的γ-聚谷氨酸分子量较低(3×105-4×105 kD),分子量分布较窄,可适用于低分子量要求的应用领域,如作为药物的控缓释载体,值得深入开发研究。     

γ-聚谷氨酸发酵培养基的Plackett-Burman法优化

以一株γ-聚谷氨酸高产菌——地衣芽孢杆菌GIM-P10为试验菌株,采用逐因子实验法确定γ-聚谷氨酸合成考察因素的参考范围,再采用Plackett-Burman设计法进行培养基的优化,10个实验因子中筛选到四个显著影响因子:柠檬酸、谷氨酸、K2HPO4和MgSO4·7H2O。另外,综合评价实验结果,表明γ-聚谷氨酸的产量与多糖含量呈负向关系,与细胞干重呈正向关系。利用Plackett-Burman设计法发酵产γ-聚谷氨酸可高达21.27g/L,为基础培养基的2倍以上。     

聚γ-谷氨酸高产菌的选育与培养基优化

利用合成培养基为筛选培养基,以枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)B6-1为出发菌株,经过三轮紫外线诱变和一轮硫酸二乙酯诱变得到了聚γ-谷氨酸高产突变株枯草芽孢杆菌W003,摇瓶液体发酵的聚γ-谷氨酸产量由出发菌株的10.9 g/L提高到20.5 g/L.单因素实验结果表明,该菌产聚γ-谷氨酸的合适碳源为葡萄糖,氮源为硫酸铵.通过正交实验得到了优化的培养基配方,经36h液体发酵,聚γ-谷氨酸产量可达到45.3 g/L.     

混菌发酵生产γ-聚谷氨酸的工艺条件优化

采用谷氨酸棒杆菌S9114和枯草芽胞杆菌NTG-4在10 L自控发酵罐上进行混菌发酵,探索混菌发酵生产γ-聚谷氨酸的可行性并进行工艺优化。结果表明:温度、接种量、pH及溶氧对聚谷氨酸发酵有较大影响,发酵前期维持32℃,6 h提温至37℃变温控制,谷氨酸棒杆菌和枯草芽胞杆菌接种量分别为5%和0.5%,pH 7.0,溶氧20%最有利于γ-聚谷氨酸发酵,在此条件下发酵32 hγ-聚谷氨酸最高产量为38.3 g/L。     

聚谷氨酸批式生物合成的主要影响因素研究

采用Bacillus subtilisNX-2菌株,在5 L发酵罐批式操作过程中生物合成γ-聚谷氨酸,实验考察了搅拌转速(300~1 000 r/min)及底物质量浓度对生物合成γ-聚谷氨酸产率的影响。结果表明:转速为400 r/min时,γ-聚谷氨酸产率最高,可高达21.78 g/L。在转速400 r/min的条件下,考察了葡萄糖和谷氨酸浓度对聚谷氨酸生物合成的影响,根据葡萄糖初始质量浓度为40 g/L的实验数据建立了动力学方程。并在葡萄糖初始质量浓度为30,40,50,60g/L的范围内,验证所建动力学方程的稳定性和实用性。结果表明,在以上葡萄糖初始质量浓度范围内,所建模型对B.subtilisNX-2批式生物合成γ-聚谷氨酸产率的预测值与实验值能较好的吻合。     

高分子聚合物的微生物合成与废弃物资源化

γ- 聚谷氨酸(γ-PGA)、γ- 聚苹果酸(γ-PMA)、细菌纤维素(BC)和聚羟基脂肪酸酯(PHA)等都是微生物合成的重要生物高分子聚合物.     

不同D/L单体比γ-聚谷氨酸的合成与调控

γ-聚谷氨酸(γ-PGA)是由L-谷氨酸和/或D-谷氨酸聚合而成的一种聚氨基酸,广泛应用于化妆品、医药等领域.高聚物单体的立体构型会影响产品性质和应用,因此调控γ-PGA中D-谷氨酸/L-谷氨酸单体比(D/L单体比)具有重要意义.前期以谷氨酸棒杆菌为底盘,表达来自于地衣芽孢杆菌的γ-PGA合成酶,合成以L-Glu(97...     

新型γ-聚谷氨酸自组装纳米胶束的制备及用于蛋白载体的研究

对水溶性的γ-聚谷氨酸(γ-PGA)进行了接枝改性,合成了两亲性γ-聚谷氨酸(γ-PGA)接枝衍生物,采用超声探头法制备胆甾醇基γ-PGA自组装胶束,并以卵清蛋白(OVA)作为模型蛋白,研究其载药和释药性能.结果表明,制备的两亲性胆甾醇基γ-PGA自组装胶束平均粒径为299.6+ 27.3nm,粒径的多分散系数较窄(0.17),且具有较低的细胞毒性;其疏水核-亲水壳的纳米微结构对蛋白药物显示了良好载药性能,对OVA载药量可达118.8 μg/mg,包封率33.5％;体外释药结果显示,负载OVA的甾醇基γ-PGA自组装胶束能延缓蛋白的释放,释药速率与介质pH密切相关.     

γ-聚谷氨酸生产菌的选育及培养条件研究

从土壤中筛选分离到1株γ聚谷氨酸的生产菌株yt102,初步鉴定为枯草芽孢杆菌;以此为出发菌株采用紫外线(UV)、亚硝基胍(NTG)进行复合诱变,获得1株γ聚谷氨酸高产突变株,突变株连续传代10次,发酵性能稳定;通过单因素和正交试验确定培养基的最佳组成,在最优条件下,γ聚谷氨酸的平均产量可达28.5 g/L。     

微生物合成的聚谷氨酸及其应用

γ-聚谷氨酸是一种全天然的、可食用的、具有多功能性的阴离子聚合物,可由微生物发酵合成.随着材料科学、聚合物化学和生物医学的不断发展和紧密融合,生物可降解高分子材料的研究得到长足发展,γ-聚谷氨酸的开发研究则日益深入.但国内研究仍处于实验室阶段,还未实现工业化生产.介绍了Υ-聚谷氨酸的结构、理化性质及其影响因素,综述了其合成菌株、培养方法、相关基因及在医药、食品、化妆品、农业、工业等方面的应用.