琼脂糖的应用和研究

【背景及概述】^[1][2]

琼脂糖的概述琼脂糖又名琼胶素，是从红藻中提出的链状中性多糖，其不含或含少量硫酸酯盐，是琼胶的主要组成成分。在低浓度时就具有高凝胶强度，为近透明的凝胶基质，对微生物具有稳定性，因此在生化、医学研究领域有着广泛的用途。琼脂糖不仅在生化上可作为凝胶电泳的支持物和亲和层析的载体，在医学上还可用于研究病毒嗜菌体、细菌、临床检验、生化分析、蛋白质、核酸、抗原、抗体，以及多糖的分离、提纯及药物的制备。

【琼脂糖结构及其性质】^{[1] [3]}

琼脂糖是线性多糖，是由半乳糖和内醚半乳糖这两种单糖交替连接构成的，如图。琼脂糖为白色或微黄色的粉末，无臭。热水是其的溶剂，亦能溶于二甲基亚砜及甲酷胺溶液中。琼脂糖具有溶胶礙热可逆特性。琼脂糖胶液凝固时的温度称凝固温度，而琼脂糖凝胶恪化时的温度称溶化温度。琼脂糖胶液凝固的机理基本上与提出的卡拉胶的形成机理相类似。琼脂糖溶液冷却时，两条琼脂糖分子的糖链会以双螺旋的方式缠绕，生成三维的网状结构。经过进一步的冷却，离散的双螺旋体会聚集起来且紧密排列，形成更加坚硬的凝胶，如图。这个过程说明琼脂糖凝胶的滞后性，也说明琼脂糖分子的细致结构对其凝胶性质变化的影响。琼脂糖由于含负电基团比琼胶少，因此具有比琼胶更优良的性质，如硫酸根含量低、凝胶强度高、电内渗低等。

图1 琼脂糖的结构图

图2 琼脂糖凝胶的形成机制

【琼脂糖的改性】^{[1] [4]}

琼脂糖的改性是指通过一些物理或化学的方法改变普通琼脂糖的性能，使其性能更加优良或者具有特殊的用途。目前主要的琼脂糖改性产品包括：低溶点琼脂糖、低电内渗琼脂糖、琼脂糖凝胶层析介质等。低培点琼脂糖低恪点琼脂糖是经过化学修饰旳琼脂糖，修饰的程度决定溶化和凝固的温度。低恪点琼脂糖主要用于脱氧核糖核酸的快速回收，可很方便地分离大小范围在几百个碱基对到左右的片段。

因为低溶点琼脂糖在65℃左右溶化，远低于解链温度。这种特性使它还可以用于DNA的简单纯化和酶处理（限制酶消化连接），或在溶化的胶中直接进行细菌转化。低焰点琼脂糖不仅能在低温下焰化，而且可在低温下凝结。该特性使它在30-35℃范围内仍呈液态，所以能无损伤地包埋细胞。这种处理方式可用于脉冲场凝胶电泳分析前，在琼脂糖栓内包埋染色体。而在电泳时，低培点琼脂糖凝胶没有海和酶活性，对限制酶和连接酶也只有很低抑制作用，用溴化乙锭染色后，只显示出很低的背景突光。利用低溶点琼脂糖纯化得到的有以下几个优势：的纯化速度快，不需要借助超速离心机；（得到的能高效转化为粗糙脉孢霉；（得到的可直接用于限制酶切、细菌转化、修饰反应、放射性标记等方面的实验。目前已广泛应用于血清蛋白、脊髓液蛋白、尿蛋白、血红蛋白及各种酶类的测定与酶谱分析。近年来，结合免疫化学分析，其用途更加广泛。低供点琼脂糖的改性原理降低溶解温度的原理是通过化学改性，把中性基团引入琼脂糖的分子链中半乳糖的某一个碳原子上，在螺旋链上产生了一个“扭结”，减弱了琼脂糖双螺旋结构的形成能力，而并不破坏琼脂糖的双螺旋结构，主链的骨架结构不变，只是使培化温度和凝固温度都有所降低。所以，改性后的琼脂糖衍生物仍拥有琼脂糖的凝胶特性。

【低熔点琼脂糖的应用】^[1]

制备DNA  项晓琼和周平坤发明了一种简便、高效的细胞制备方法，通过低擦点琼脂糖包埋法，制备出可以用于分子杂交的细胞。

纯化DNA  刘秋云发现了碱法或煮沸法小量提取得到的经低擦点琼脂糖的纯化后，可以高效转化粗糖脉孢霉，且低溶点琼脂糖纯化的转化效率能接近或达到氯化铯梯度离心纯化的转化效率。经限制酶切或修饰反应后的也可用低溶点琼脂糖纯化。该方法的优点是快速、高效，且纯化后的还可用于限制酶切、修饰反应、细菌转化及放射性标记。刘秋云利用低培点琼脂糖纯化得到的进行转化，成功地克隆了基因。

回收DNA  刘超李越等人研究出用低焰点琼脂糖回收高分子进行指纹图分析的方法，并应用到实际办案中。

【研究意义】^[1][2][3][4]

琼脂糖是一种应用广泛的多糖类物质。1937年次从琼脂中分离出琼脂糖之后发展至今，琼脂糖以其近似理想的凝胶特性，已成为现代生物技术工业中生物聚合物的扩散和点动力学移动不可或缺的凝胶基质。随着科研技术的进步，对琼脂糖的需求量也在不断增大，具有广阔的市场前景，国外对琼脂糖的研究远早于国内，并已形成一系列产品，并占领了主要琼脂糖市场。由于国内生产的琼脂糖产品的品质不及国外同类产品，目前国内科研用的琼脂糖主要依赖国外进口产品，且进口的琼脂糖产品价格昂贵，所以每年我国需要投入相当大的资金用于进口，这使得使我国生物技术产品的成本提高，在不利于在国际市场上的竞争。因此，有必要研究和创新新型的琼脂糖衍生物生产工艺，研制高品质的新型琼脂糖产品，简化生产工艺，降低新型琼脂糖产品的生产成本，是我国琼脂糖产业未来的发展方向。

【参考资料】

[1]吴钢. 低熔点琼脂糖的改性与制备技术研究[D].福建农林大学,2014.

[2]李庆旺,熊瑶,蔡坤淇,MIAO Song,张龙涛,郑宝东.利用纤维素酶降解琼脂糖的条件优化[J].食品工业科技,2017,38(14):156-161+166.

[3]黄永睿. 卡拉胶/琼脂糖复合海绵的制备及对巨噬细胞的免疫调控活性[D].暨南大学,2017.

[4]张仁梅,张军,谢梦圆,陈建苏.琼脂糖凝胶的光学特性[J].红外与激光工程,2016,45(07):125-131.