Herstellung von γ-Polyglutaminsäure und Untersuchung ihrer tyrosinasehemmenden Wirkung
Polymere wie Homopolymere von Aminosäuren haben eine breite Palette von biologischen Funktionen, Biokompatibilität und eine breite Molekulargewichtsverteilung. Zu den homopolymeren Aminosäuren, die durch Mikroorganismen gewonnen werden, gehören derzeit hauptsächlich drei Arten: Polyglutaminsäure (Poly-γ-glutaminsäure, γ-PGA), ε-Polylysin (ε-PL) und Cyanophycin. Gamma-PGA ist eine dieser Säuren, die ebenfalls hervorragende biologische Eigenschaften aufweist. Seit 1913 haben Forscher nacheinander gamma-PGA aus dem Schleim von Natto-Nahrungsmitteln und Fermentationsmedien von Bacillus subtilis, B. licheniformis, B. megaterium und B. anthracis isoliert. Die Konformationsstruktur von γ - PGA ändert sich signifikant mit dem pH-Wert, der Konzentration und der Ionenstärke der Lösung. Die Produktion von γ-PGA durch Bacillus subtilis zeigt parallele β-Faltstrukturen in sauren Lösungen, unregelmäßig gekräuselte Strukturen bei Annäherung an die Neutralität und zufällig ausgedehnte Strukturen in alkalischen Umgebungen.

Das Endprodukt von γ-PGA ist ein weißes, geruchloses Pulver mit einem Molekulargewicht zwischen 100 und 10000 kDa, was etwa 50 bis 50000 Glutaminsäuremonomeren entspricht. Gamma-PGA und seine Derivate haben ein breites Forschungs- und Anwendungspotenzial in vielen Bereichen. Sie werden beispielsweise als Lebensmittelkonservierungsmittel, als feuchtigkeitsspendender Inhaltsstoff in Kosmetika, als Träger für Medikamente mit langsamer Freisetzung, als Schwermetalladsorptionsmittel und als Flockungsmittel für die Wasseraufbereitung verwendet. Im Jahr 2013 fanden Forscher heraus, dass Gamma-PGA den Gehalt an reaktiven Sauerstoffspezies und Stickoxid in B16-Zellen verringert, die Katalaseaktivität erhöht und die durch Forsklin induzierte Tyrosinaseaktivität und Melaninproduktion hemmt. Dies ist der erste Bericht über die Anti-Melanogenese-Wirkung von γ - PGA.

Das Molekulargewicht ist ein wichtiger charakteristischer Parameter von Polymeren, und seine Größe bestimmt ihren Anwendungsbereich und ihre Wirksamkeit. Daher ist es von großer Bedeutung, verschiedene Molekulargewichte von gamma-PGA herzustellen und die Aktivitätsunterschiede zwischen verschiedenen Molekulargewichten zu untersuchen, um den Anwendungsbereich von gamma-PGA zu erweitern. Gegenwärtig ist die mikrobielle Fermentation eine gängige Methode für die Fermentation von gamma-PGA. Das Molekulargewicht und die Ausbeute der mit dieser Methode hergestellten γ-PGA werden von den produzierenden Bakterien beeinflusst. Je nachdem, ob während des Fermentationsprozesses Glutaminsäure zugesetzt wird, werden die Produktionsstämme von γ-PGA in zwei Kategorien unterteilt: glutaminsäureabhängige Stämme und nicht glutaminsäureabhängige Stämme. Studien haben gezeigt, dass die Verwendung von glutamatabhängigen Stämmen als Produktionsbakterien zu einer höheren Produktion von gamma-PGA führt. Daher wird in diesem Artikel Bacillus subtilis als Fermentationsstamm verwendet, um γ-PGA durch mikrobielle Fermentation herzustellen. Fünf Gruppen von γ-PGA mit unterschiedlichem Molekulargewicht wurden durch die Kombination chemischer Abbaumethoden hergestellt, und ihre intrazelluläre und extrazelluläre Hemmung der Tyrosinase-Aktivität wurde untersucht. Schaffung der Grundlagen für die Anwendung verschiedener Molekulargewichte von gamma-PGA als Weißmacher im Bereich der Kosmetik.

Gamma-PGA ist ein extrazelluläres Sekretionsprodukt. Seit langem werden seine Eigenschaften, die Verbesserung der bakteriellen und genetischen Eigenschaften, der Fermentationsprozess sowie die Extraktion und Reinigung intensiv erforscht. Das Molekulargewicht von γ-PGA wirkt sich direkt auf seine Anwendungen in vielen Bereichen aus. Mit der Entdeckung von Forschern, dass Gamma-PGA eine Anti-Melanin-Wirkung hat, hat sich Gamma-PGA allmählich zu einem potenziellen Inhaltsstoff für Bleichmittel entwickelt.
Die Verringerung der Melaninproduktion ist ein wichtiger Schritt zur Erzielung von Aufhellungseffekten. Zahlreiche Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass Tyrosinase ein wichtiges, die Geschwindigkeit begrenzendes Enzym ist, das am Prozess der Melaninproduktion beteiligt ist, und dass sein Expressionsniveau und seine Aktivität die Geschwindigkeit und den Ertrag der Melaninsynthese bestimmen. Daher werden seine Inhibitoren in der Regel als Bleichmittel untersucht. Im Jahr 2004 entdeckten Sasaki et al., dass Metallothionein die durch NO und andere Melanogene stimulierte Melaninproduktion durch direkte Hemmung der Tyrosinase-Aktivität in Melanosomen wirksam hemmen kann. Im Jahr 2013 entdeckten Jeong et al., dass das Ginsenosid Rh4-Aglykon (A-Rh4) die Melaninsynthese in B16-Melanomzellen über den Proteinkinase-A-Weg hemmt. Bei der Melaninsynthese wurde ein Anstieg der Tyrosinase-Aktivität beobachtet, und ihre Herunterregulierung kann die Melaninproduktion hemmen. Daher wurde die Suche nach natürlichen Biomaterialien mit Anti-Tyrosinase-Aktivität als wichtige Strategie für die Entwicklung neuer Produkte zur Regulierung der Hautpigmentierung angesehen.
In diesem Artikel wird der von Glutaminsäure abhängige Bacillus subtilis als Stamm für die Fermentationszubereitung von γ-PGA ausgewählt, mit einer Ausbeute von 8 g/L und einem Gehalt von 97,69%. Unter Ausnutzung seiner Empfindlichkeit gegenüber physikalischen und chemischen Bedingungen in der Struktur und durch Kombination chemischer Abbaumethoden wurden fünf verschiedene Molekulargewichte von γ - PGA mit gewichtsmittleren Molekulargewichten von 21, 117, 282, 432 und 501 kDa hergestellt. Um die biologische Sicherheit von Zellen zu gewährleisten, wurde zunächst der sichere Konzentrationsbereich, den Zellen nutzen können, bewertet. Anschließend wurde die Hemmungsrate der Tyrosinase-Aktivität als Indikator verwendet, um die Hemmungsraten der Tyrosinase-Aktivität von fünf verschiedenen Molekulargewichten von γ - PGA sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zelle zu bestimmen. Die umfassenden Ergebnisse der Zytotoxizität und der Tyrosinase-Hemmaktivität zeigten, dass alle fünf Molekulargewichte von γ-PGA eine Tyrosinase-Hemmaktivität aufwiesen und dass die extrazelluläre Hemmaktivität der Tyrosinase mit zunehmendem Molekulargewicht zunahm, was eine theoretische Grundlage für die künftige Anwendung von γ-PGA als potenzieller Bleichmittel-Inhaltsstoff darstellt.
Das Molekulargewicht der durch mikrobielle Fermentation hergestellten γ-PGA ist begrenzt. Jiang et al. konstruierten einen rekombinanten Bacillus subtilis mit dem γ-PGA abbauenden Gencluster pgsBAE, der γ-PGA mit niedrigem Molekulargewicht (etwa 10 kDa) synthetisieren kann. Qiao Changsheng et al. verwendeten einen Fermentationstank zur Fermentation und stellten 1000kDa γ - PGA her, indem sie den Fermentationsprozess regulierten und die Fermentationsbedingungen optimierten. Daher besteht der nächste Schritt darin, die Gentechnik und andere Methoden zu kombinieren, um durch die Einführung von Schlüsselgenfragmenten von Abbauenzymen oder Syntheseenzymen technische Stämme zu konstruieren, die ein höheres oder niedrigeres Molekulargewicht von gamma-PGA herstellen, um seine Weißmacheraktivität weiter zu untersuchen.
Gegenwärtig werden natürliche Inhaltsstoffe wie Quercetin, Arbutin, Niacinamid, Astaxanthin, Salicylsäure, Fruchtsäure usw. als Bleichmittel in kosmetischen Formeln verwendet. Verschiedene Bleichmittel haben aufgrund ihrer unterschiedlichen Bleichmechanismen unterschiedliche Bleichaktivitäten. Ein und derselbe aufhellende Inhaltsstoff hat auch unterschiedliche Wirkungen in Kosmetika, da er in unterschiedlichen Konzentrationen zugesetzt wird. Durch die Untersuchung der Bleichaktivität von Polyglutaminsäure mit unterschiedlichen Molekulargewichten ist sie daher nicht nur ein potenzieller Bleichwirkstoff für den Kosmetikbereich, sondern kann auch kosmetischen Formeln zugesetzt werden, um aufgrund der unterschiedlichen Bleichaktivität verschiedener Molekulargewichte unterschiedliche Wirkungen zu erzielen, sich an verschiedene Bevölkerungsgruppen anzupassen und deren Bleichbedürfnisse zu erfüllen. Durch die Verbesserung der Extraktionstechnologie von Naturextrakten können in Zukunft qualitative und quantitative Analysen der Wirkstoffe in den Extrakten durchgeführt werden, um deren Wirkung zu bestimmen und die Wirkstoffe mit der besten Bleichwirkung in natürlichen Organismen zu finden.