Kwas γ-poliglutaminowy – bakteryjny biopolimer z natto

Dr inż. Anna Starzyńska-Janiszewska

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

Drobnoustroje mają zdolność syntezy i wydzielania różnych makrocząsteczek, które stanowią dla nich zapasowe źródło związków odżywczych, ochronę przed wysychaniem czy toksynami, a także atakiem innych mikroorganizmów. Większość z nich stanowią polisacharydy – ksantan, kurdlan, pululan, gelan i inne. Na tym tle wyróżnia się kwas γ-poliglutaminowy (γ-PGA), polimer o charakterze białkowym.

Termin ‘kwas poliglutaminowy’ ostatnio często pojawia się w reklamach kosmetyków nawilżających, w których jest on stosowany jako hydrokoloid o działaniu zbliżonym do kwasu hialuronowego (γ-PGA w formie hydrożelu jest zdolny do związania cząsteczek wody w ilości do 3500 razy większej od swojej masy). Bywa błędnie określany „roślinnym kolagenem”, podobnie jak ekstensyny (glikoproteiny, składniki ściany komórek roślinnych). W przypadku kwasu γ-polilutaminowego nazwa ta jest podwójnie nieprawidłowa, jako że związek ten nie jest otrzymywany z roślin. γ-PGA to produkt aktywności metabolicznej bakterii Bacillus subtilis – składnik lepkiego śluzu pokrywającego nasiona soi w natto (rys. 1), japońskiej potrawie będącej produktem fermentacji alkalicznej (więcej o natto można przeczytać tutaj). Może być także wytwarzany przez inne gatunki bakterii gram dodatnich, przede wszystkim z rodzaju Bacillus (B. licheniformis, B. anthracis).

Rys. 1. Natto

Kwas γ-poliglutaminowy jest pod względem chemicznym polipeptydem: polimerem kwasu glutaminowego (rys. 2).

Rys. 2. Kwas glutaminowy

Monomery aminokwasowe połączone są niestandardowymi wiązaniami peptydowymi, utworzonymi między grupą α-aminową i grupą karboksylową łańcucha bocznego następnej cząsteczki (w pozycji γ) (rys. 3).

Rys. 3. Kwas γ-poliglutaminowy; * oznaczono C w pozycji α 

Natomiast typowe wiązania peptydowe w białkach łączą ze sobą grupę –NH3 i -COOH w pozycji α w cząsteczkach sąsiadujących aminokwasów (rys. 4).

Rys. 4. Typowe wiązanie peptydowe pomiędzy aminokwasami w białkach na przykładzie Gly-Gly (glicyloglicyna, najprostszy peptyd)

Konsekwencją specyficznej budowy chemicznej γ-PGA jest jego mała podatność na działanie enzymów proteolitycznych (wyjątek stanowi rzadko występująca w naturze γ–glutamylotranspeptydaza). Dlatego związek ten stanowi dla komórki bakteryjnej ochronę przed atakiem mikrobiologicznym. Niska podatność na rozkład przez drobnoustroje to oczywiście zaleta z punktu widzenia zastosowań przemysłowych kwasu γ-poliglutaminowego.
Cząsteczki γ-PGA mogą mieć różną wielkość, maksymalnie do 10 kDa. Ich struktura zmienia się w zależności od pH środowiska:

  • W pH równym i wyższym od 6,5 stanowi liniową cząsteczkę o charakterze polianionu. Wypadkowy ujemnym ładunek pozwala na wiązanie przez kwas γ-poliglutaminowy kationów metali (Na, K, Ca, Mg) – sole te są bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie i pozbawione smaku. Ma to szczególnie duże znaczenie w przypadku soli wapnia i magnezu, ponieważ w formie kompleksów z kwasem γ-poliglutaminowym są one dobrze przyswajalne z jelita cienkiego i chronione przed tworzeniem nierozpuszczalnych połączeń z fosforanami;
  • W pH 2,0 kwas γ-poliglutaminowy występuje w formie niezjonizowanej, zwartej lewoskrętnej α-helisy o charakterze hydrofobowym. Cząsteczka ta nie rozpuszcza się w wodzie, tylko w rozpuszczalnikach organicznych.

Kwas γ-poliglutaminowy jest biodegradowalny, nietoksyczny i nieimmunogenny. Może być wykorzystywany w medycynie (badany jest jako czynnik antyrakowy i antypatogenny, nadaje się jako nośnik substancji czynnych i minerałów, a także składnik kapsułek leków), biotechnologii, ochronie środowiska (jako związek wiążący substancje szkodliwe), a także technologii żywności. Jako naturalny składnik żywności, γ-PGA jest związkiem jadalnym, a specyficzna budowa chemiczna umożliwia różnorodne potencjalne zastosowania w przemyśle spożywczym:

  • jako krioprotektant – w formie soli sodowej może być dodawany do mrożonej żywności w dużych ilościach, ponieważ w porównaniu z komercyjnie używanymi substancjami (aminokwasy, cukry, sole nieorganiczne) jest praktycznie pozbawiony smaku;
  • jako reduktor smaku gorzkiego – zmniejsza wyczuwalną gorzkość aminokwasów, peptydów czy kofeiny;
  • jako dodatek do produktów skrobiowych, głównie pieczywa i makaronów, przedłużający ich trwałość i poprawiający teksturę oraz parametry związane z utrzymaniem kształtu;
  • jako zagęszczacz lodów i soków owocowych;
  • jako dodatek poprawiający smak napojów.

Czy kwas γ-glutaminowy ma jakieś wady? Zasadniczo nie, ale… jego produkcja jest bardzo droga (ponad 600 złotych za 100 mg, według danych z 2015 roku)., Aby mógł więc stanowić realną konkurencję dla konwencjonalnych dodatków dla żywności, koszt jego otrzymywania powinien zostać obniżony co najmniej kilkadziesiąt (do kilkuset) razy. Prace w tym kierunku są już intensywnie prowadzone. Najbardziej obiecujące wydają się być metody fermentacji wgłębnej lub w podłożu stałym z udziałem wyspecjalizowanych szczepów Bacillus subtilis.
Literatura:

  1. JSM Biotechnol Bioeng 2014, 2(1): 1025
  2. Microbiology (2015), 161, 1–17
  3. Bioresource Technology 2001, 79, 207-225
Print Friendly, PDF & Email

Kategorie: Chemia,Ciekawostki chemiczne,Mikroorganizmy

Tagi: ,,,

Pozostaw odpowiedź