9012-36-6 / 瓊脂糖的應用和研究

【背景及概述】^[1][2]

瓊脂糖的概述瓊脂糖又名瓊膠素，是從紅藻中提出的鏈狀中性多糖，其不含或含少量硫酸酯鹽，是瓊膠的主要組成成分。在低濃度時就具有高凝膠強度，為近透明的凝膠基質，對微生物具有穩定性，因此在生化、醫學研究領域有著廣泛的用途。瓊脂糖不僅在生化上可作為凝膠電泳的支持物和親和層析的載體，在醫學上還可用于研究病毒嗜菌體、細菌、臨床檢驗、生化分析、蛋白質、核酸、抗原、抗體，以及多糖的分離、提純及藥物的制備。

【瓊脂糖結構及其性質】^{[1] [3]}

瓊脂糖是線性多糖，是由半乳糖和內醚半乳糖這兩種單糖交替連接構成的，如圖。瓊脂糖為白色或微黃色的粉末，無臭。熱水是其最好的溶劑，亦能溶于二甲基亞砜及甲酷胺溶液中。瓊脂糖具有溶膠礙熱可逆特性。瓊脂糖膠液凝固時的溫度稱凝固溫度，而瓊脂糖凝膠恪化時的溫度稱溶化溫度。瓊脂糖膠液凝固的機理基本上與提出的卡拉膠的形成機理相類似。瓊脂糖溶液冷卻時，兩條瓊脂糖分子的糖鏈會以雙螺旋的方式纏繞，生成三維的網狀結構。經過進一步的冷卻，離散的雙螺旋體會聚集起來且緊密排列，形成更加堅硬的凝膠，如圖。這個過程說明瓊脂糖凝膠的滯后性，也說明瓊脂糖分子的細致結構對其凝膠性質變化的影響。瓊脂糖由于含負電基團比瓊膠少，因此具有比瓊膠更優良的性質，如硫酸根含量低、凝膠強度高、電內滲低等。

圖1 瓊脂糖的結構圖

圖2 瓊脂糖凝膠的形成機制

【瓊脂糖的改性】^{[1] [4]}

瓊脂糖的改性是指通過一些物理或化學的方法改變普通瓊脂糖的性能，使其性能更加優良或者具有特殊的用途。目前主要的瓊脂糖改性產品包括：低溶點瓊脂糖、低電內滲瓊脂糖、瓊脂糖凝膠層析介質等。低培點瓊脂糖低恪點瓊脂糖是經過化學修飾旳瓊脂糖，修飾的程度決定溶化和凝固的溫度。低恪點瓊脂糖主要用于脫氧核糖核酸的快速回收，可很方便地分離大小范圍在幾百個堿基對到左右的片段。

因為低溶點瓊脂糖在65℃左右溶化，遠低于解鏈溫度。這種特性使它還可以用于DNA的簡單純化和酶處理（限制酶消化連接），或在溶化的膠中直接進行細菌轉化。低焰點瓊脂糖不僅能在低溫下焰化，而且可在低溫下凝結。該特性使它在30-35℃范圍內仍呈液態，所以能無損傷地包埋細胞。這種處理方式可用于脈沖場凝膠電泳分析前，在瓊脂糖栓內包埋染色體。而在電泳時，低培點瓊脂糖凝膠沒有海和酶活性，對限制酶和連接酶也只有很低抑制作用，用溴化乙錠染色后，只顯示出很低的背景突光。利用低溶點瓊脂糖純化得到的有以下幾個優勢：的純化速度快，不需要借助超速離心機；（得到的能高效轉化為粗糙脈孢霉；（得到的可直接用于限制酶切、細菌轉化、修飾反應、放射性標記等方面的實驗。目前已廣泛應用于血清蛋白、脊髓液蛋白、尿蛋白、血紅蛋白及各種酶類的測定與酶譜分析。近年來，結合免疫化學分析，其用途更加廣泛。低供點瓊脂糖的改性原理降低溶解溫度的原理是通過化學改性，把中性基團引入瓊脂糖的分子鏈中半乳糖的某一個碳原子上，在螺旋鏈上產生了一個“扭結”，減弱了瓊脂糖雙螺旋結構的形成能力，而并不破壞瓊脂糖的雙螺旋結構，主鏈的骨架結構不變，只是使培化溫度和凝固溫度都有所降低。所以，改性后的瓊脂糖衍生物仍擁有瓊脂糖的凝膠特性。

【低熔點瓊脂糖的應用】^[1]

制備DNA 項曉瓊和周平坤發明了一種簡便、高效的細胞制備方法，通過低擦點瓊脂糖包埋法，制備出可以用于分子雜交的細胞。

純化DNA 劉秋云發現了堿法或煮沸法小量提取得到的經低擦點瓊脂糖的純化后，可以高效轉化粗糖脈孢霉，且低溶點瓊脂糖純化的轉化效率能接近或達到氯化銫梯度離心純化的轉化效率。經限制酶切或修飾反應后的也可用低溶點瓊脂糖純化。該方法的優點是快速、高效，且純化后的還可用于限制酶切、修飾反應、細菌轉化及放射性標記。劉秋云利用低培點瓊脂糖純化得到的進行轉化，成功地克隆了基因。

回收DNA 劉超李越等人研究出用低焰點瓊脂糖回收高分子進行指紋圖分析的方法，并應用到實際辦案中。

【研究意義】^[1][2][3][4]

瓊脂糖是一種應用廣泛的多糖類物質。1937年第一次從瓊脂中分離出瓊脂糖之后發展至今，瓊脂糖以其近似理想的凝膠特性，已成為現代生物技術工業中生物聚合物的擴散和點動力學移動不可或缺的凝膠基質。隨著科研技術的進步，對瓊脂糖的需求量也在不斷增大，具有廣闊的市場前景，國外對瓊脂糖的研究遠早于國內，并已形成一系列產品，并占領了主要瓊脂糖市場。由于國內生產的瓊脂糖產品的品質不及國外同類產品，目前國內科研用的瓊脂糖主要依賴國外進口產品，且進口的瓊脂糖產品價格昂貴，所以每年我國需要投入相當大的資金用于進口，這使得使我國生物技術產品的成本提高，在不利于在國際市場上的競爭。因此，有必要研究和創新新型的瓊脂糖衍生物生產工藝，研制高品質的新型瓊脂糖產品，簡化生產工藝，降低新型瓊脂糖產品的生產成本，是我國瓊脂糖產業未來的發展方向。

【參考資料】

[1]吳鋼. 低熔點瓊脂糖的改性與制備技術研究[D].福建農林大學,2014.

[2]李慶旺,熊瑤,蔡坤淇,MIAO Song,張龍濤,鄭寶東.利用纖維素酶降解瓊脂糖的條件優化[J].食品工業科技,2017,38(14):156-161+166.

[3]黃永睿. 卡拉膠/瓊脂糖復合海綿的制備及對巨噬細胞的免疫調控活性[D].暨南大學,2017.

[4]張仁梅,張軍,謝夢圓,陳建蘇.瓊脂糖凝膠的光學特性[J].紅外與激光工程,2016,45(07):125-131.