聚谷氨酸（γ-PGA）是一种由微生物利用谷氨酸合成的聚合物，具有水溶性、可生物降解、可食用且对人类和环境安全的特点。含有大量的自由羧基，能形成保水膜，防止水分流失，并具有抗菌性能，有助于保持皮肤的健康pH值，还能抑制黑色素生成。γ-PGA在食品工业、化妆品生产、制药业、污水处理和农业等领域广泛应用。生产γ-PGA的方法包括化学合成、提取、酶转化和微生物发酵。其中，微生物发酵因其工艺简单、周期短、产量高等优势成为主流方法。然而，γ-PGA的生产成本仍然较高，限制了其在化妆品、农业等领域的应用。

黄瓜是一种全球重要的蔬菜，富含多种营养成分。本研究首次利用合成生物学原理将参与聚谷氨酸（γ-PGA）合成的三个基因（pgsABC）从枯草芽孢杆菌中克隆，并成功转化到黄瓜中并实现了γ-PGA在黄瓜中的异源合成。黄瓜的保水实验显示，与对照组相比，转基因黄瓜的水分含量增加了6~14%，水分流失率降低了11-12%。在斑马鱼和人体皮肤实验中，转基因黄瓜的保湿效果显著优于对照组、γ-PGA组和透明质酸组。转基因黄瓜能够减少面部皱纹和粗糙度分别约19.58%和24.97%，降低皮肤黑色素含量约5.27%，提高皮肤ITA和L值约5.89%和2.49%，并分别使面部弹性的R2和Q1值提高了约7.67%和5.64%。斑马鱼在接受转基因黄瓜样品处理后，水通道蛋白基因aqp3、酪氨酸酶基因Tyr、银发基因silv和皮肤白化病基因OCA2的表达下调，而皮肤弹性相关基因如eln1、eln2（皮肤弹性基因）、col1a1a和col1a1b（皮肤胶原蛋白基因）的表达上调。

本研究基于对微生物、植物、斑马鱼和人体实验的系统研究证明，异源合成了微生物来源的天然功能分子γ-PGA的转基因黄瓜具有显著的皮肤保湿、美白和抗皱效果，可望成为一种新型的“植物面膜”，用于皮肤的美容与护理。本研究为基于合成生物学和基因工程原理开发天然护肤产品提供了新的思路和策略。

齐鲁工业大学（山东省科学院）生物工程学院李灿博士和马海珍博士为论文第一作者，夏涛教授为论文通讯作者。齐鲁工业大学生物工程学院的张圣奎博士，研究生李盼盼、慎璐、王宛霞、许天宇，齐鲁工业大学生物所盛文龙副研究员，齐鲁工业大学化妆品中心王领教授，华中农业大学许洁婷博士参加了部分研究工作。

本研究得到齐鲁工业大学（山东省科学院）科教融合计划人才基金和山东省自然基金的资助。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.130026