由Sinorhizobium sp. ACT002分泌的胞外半乳葡聚糖G2的生产及其功能特性研究

《Carbohydrate Polymers》：Production and functional characterization of an extracellular galactoglucan G2 secreted by the Sinorhizobium sp. ACT002

多糖合成微生物高效菌株筛选及功能特性研究。

　　在自然界中，许多生物体都能合成复杂的多糖类物质，其中一类名为半乳糖葡聚糖（galactoglucans）的多糖因其独特的结构和多样的功能特性而受到广泛关注。这类多糖通常由葡萄糖和半乳糖残基构成，有时还包含其他单糖成分，如甘露糖、鼠李糖、阿拉伯糖和葡萄糖醛酸等。半乳糖葡聚糖的来源非常广泛，包括植物、药用真菌、细菌以及藻类等。它们在不同领域的应用潜力巨大，例如保湿、流变调控、紫外线防护、抗氧化活性、血糖调节、胃部保护以及免疫调节等。然而，尽管已有大量研究关注这些特性，半乳糖葡聚糖的实际应用仍受到生产效率和产量的限制。

在当前的研究中，科学家们致力于寻找一种能够高效生产半乳糖葡聚糖的微生物来源。传统的提取方法主要依赖于天然生物材料，但这种方法存在诸多挑战，例如半乳糖葡聚糖在自然界的含量较低，而生物材料的结构复杂性使得提取过程繁琐且收率不高。文献报道显示，半乳糖葡聚糖的提取收率通常介于0.02%到4.3%之间，这显然无法满足工业化生产的需求。因此，微生物发酵成为了一种更具前景的生产方式，它不仅能够提高产量，还可能通过基因工程手段优化其结构和功能特性。

在众多能够产生半乳糖葡聚糖的微生物中，根瘤菌科（Rhizobiaceae）的某些菌种，特别是根瘤菌（Rhizobium）和类根瘤菌（Sinorhizobium）等，被认为具有较高的生产潜力。例如，某些类根瘤菌菌株已被证实可以高效合成半乳糖葡聚糖，其生产效率远超传统提取方法。此外，某些根瘤菌菌株如Agrobacterium sp. ZCC3656，能够产生高达10.55 g/L/d的 Succinoglycan（一种典型的半乳糖葡聚糖），这为半乳糖葡聚糖的大规模生产提供了新的思路。然而，尽管已有不少关于半乳糖葡聚糖的研究，目前仍缺乏一种能够高效生产并具有明确功能特性的半乳糖葡聚糖，尤其是在类似EPS II的结构上。

EPS II是类根瘤菌meliloti（Sinorhizobium meliloti）所产生的一种半乳糖葡聚糖，其主要结构由葡萄糖和半乳糖以1:1的比例组成，具有特定的重复单元结构。这种多糖在特定的环境压力条件下，如磷酸盐限制时，能够被低效合成，且在干旱和盐碱等环境胁迫中起到适应性作用。然而，EPS II的功能特性尚未被充分研究，其潜在的生物活性和应用价值仍然有待进一步探索。基于这一背景，研究人员提出了一种假设：由于EPS II在环境适应中的重要作用，它可能也具备类似于其他半乳糖葡聚糖的流变调控、抗氧化和抗紫外线等特性。为了验证这一假设，科学家们从中国湖北恩施的一片森林土壤中分离出一种新的菌株，并成功获得了具有类似EPS II结构的半乳糖葡聚糖。

这项研究的菌株被命名为ACT002，属于类根瘤菌属（Sinorhizobium）。通过在摇瓶中培养，ACT002展现出极高的半乳糖葡聚糖生产能力，达到了4.21 ± 0.16 g/L/d，这一数值显著高于已知的其他类根瘤菌和根瘤菌菌株的报道。这一结果不仅表明ACT002是一种高效的半乳糖葡聚糖生产菌株，也为进一步研究该多糖的功能特性提供了理想的材料。研究人员对ACT002产生的多糖进行了系统分析，包括其化学结构、流变特性以及生物活性等方面。

通过多种分析技术，如傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、甲基化气相色谱-质谱联用（methylation-GC/MS）以及一维和二维核磁共振（1D/2D NMR）等，研究人员确认了该多糖的结构。结果显示，该多糖（命名为G2）是由葡萄糖和半乳糖组成的线性半乳糖葡聚糖，其重复单元为→3)-β-D-Glcp-(1?→?3)-(4,6-Pyr)-α-D-Galp-(1→。这一结构与EPS II极为相似，表明G2可能具有类似的功能特性。然而，G2在某些位置的取代基与EPS II存在差异，例如，G2中的半乳糖残基在4,6位被等摩尔的丙酮酸基团取代，而其乙酰基含量则低于EPS II。这些结构上的细微差别可能影响其功能表现，如流变行为、保湿能力、抗氧化活性和抗紫外线能力等。

为了进一步探究G2的功能特性，研究人员对其流变行为进行了详细表征。结果显示，G2在特定浓度下表现出显著的假塑性行为，这一特性对于开发新型生物材料具有重要意义。假塑性流体在受到剪切力时粘度降低，这使得其在工业应用中具有更高的加工适应性。此外，研究人员还发现，G2在不同盐溶液中的流变特性表现出明显的差异，其中KCl对G2的Carreau-Yasuda流变特性、粘弹性以及热稳定性产生了更显著的影响。这一发现提示我们，G2的流变行为可能受到外界环境因素的调控，从而为优化其应用条件提供了理论依据。

在保湿能力方面，G2表现出与透明质酸（hyaluronan）相当的水分吸收和保持能力。透明质酸是一种广泛应用于护肤品和医疗材料中的天然多糖，因其卓越的保湿性能而备受青睐。G2的这一特性使其在化妆品、药品和生物材料等领域具有广阔的应用前景。同时，研究人员还对G2的抗氧化活性和紫外线吸收能力进行了评估，结果显示其在这些方面同样表现出显著的生物活性。这些特性使得G2在保护皮肤免受紫外线损伤方面具有潜在的应用价值。

为了验证G2的抗紫外线功能，研究人员采用小鼠背部皮肤模型进行了体内实验。实验结果表明，G2能够有效缓解紫外线B（UV-B）引起的皮肤损伤，促进表皮完整性恢复和组织结构的修复。这一发现不仅证实了G2在抗紫外线方面的功能，也为其在防晒产品和皮肤护理领域的应用提供了实验支持。此外，G2在体外实验中表现出较低的溶血效应，这表明其具有良好的生物相容性，适合用于人体接触的材料。

综上所述，这项研究不仅成功分离出一种高效的半乳糖葡聚糖生产菌株ACT002，还通过系统的结构和功能分析，揭示了其产物G2的多种特性。G2的高产量、良好的流变性能、优异的保湿能力、显著的抗氧化活性和抗紫外线能力，使其在多个领域展现出广阔的应用前景。未来，进一步研究G2的结构修饰、功能优化以及工业化生产条件，将有助于推动其在生物材料、医药、化妆品和食品等行业的应用。此外，探索其他可能产生类似结构半乳糖葡聚糖的微生物，也将为开发新型生物活性材料提供更多的可能性。