極端微生物包括嗜熱、嗜冷、嗜酸、嗜堿、嗜壓、嗜金、抗輻射、耐幹燥和極端厭氧等多種類型。
科學家們相信，極端微生物是這個星球留給人類獨特的生物資源和極其珍貴的科研素材。開展極端微生物的研究，對於揭示生物圈起源的奧秘，闡明生物多樣性形成的機制，認識生命的極限及其與環境的相互作用的規律等，都具有極為重要的科學意義。極端微生物中發現的適應機制，還將成為人類在太空中尋找地外生命的理論依據。極端微生物研究的成果，將大大促進微生物在環境保護、人類健康和生物技術等領域的利用。
我國對微生物的研究已有20多年的歷史，研究內容涉及極端微生物的資源調查、物種分析以及生理生態研究等。近年來，又在極端微生物分子生物學、基因組學和蛋白質組學等方面取得了重要進展。
熱極端酶的嗜熱機制及應用研究進展
最適生長溫度高於45℃的微生物稱為嗜熱微生物。Martinko等認為所有嗜熱菌的最適生長溫度大約為80℃。最近十幾年,有許多嗜熱微生物被分離出來,大多數屬古細菌。至今已經發現了多種嗜熱細菌和古細菌,包括礦泉古生菌界嗜熱菌、寬廣古生菌界嗜熱菌、細菌域嗜熱菌(高溫神袍菌、產水細桿菌、產芽孢高溫菌、非芽孢高溫菌)。在80℃以上環境中發揮功能的酶稱為嗜高溫酶。近年來,嗜熱酶已在食品釀造工業、醫藥工業、環境保護、遺傳工程等領域得到廣泛應用,其良好前景備受關註。
1 嗜熱機制 具有特殊結構的細胞膜、大分子物質、遺傳物質及元素鎢等均與嗜熱微生物嗜熱機制有著密切的聯系。
1.1 細胞膜的組分及其嗜熱機制研究表明,高溫微生物的膜脂可以分為兩大類型,即真細菌型膜脂和古細菌型膜脂。真細菌型膜脂是由甘油和脂肪酸通過酯鍵結合而成的脂肪酸甘油酯,主要是甘油脂肪酰二酯。溫度升高,復合脂類中的烷基鏈彼此間隔擴大,而極性部分作為膜的雙層結構卻保持整齊狀態———液晶態。膜通過自動調節脂組分而維持膜的液晶態以獲得更高的熔點。而且細胞膜中含有異型脂肪酸,穩定型脂肪酸和環烷型脂肪酸,從而使嗜熱菌的細胞膜耐受高溫。古細菌型膜脂是由甘油和異戊基醇(C20和C40植烷醇)通過醚鍵結合衍生出兩類基本的醚,即植烷醇甘油二醚和四醚,它們的非極性鏈幾乎都固定在C20和C40。四醚能形成大小和脂雙分子層相同的單層膜脂,避免了雙層膜在高溫下易變性分開的情況。在嗜熱古細菌的膜中還存在環己烷型脂肪酸,在高溫下這種脂肪酸鏈的環化能促進二醚磷脂向四醚脂轉變。
1.2 蛋白質的嗜熱機制決定嗜熱的主要機制是蛋白質的熱穩定性。嗜熱微生物中的酶和蛋白除熱穩定性較高外,其他方面都與常溫同源蛋白相似,它們中許多酶的熱穩定性是內在的,依賴於同源蛋白質之間氨基酸組成和順序的差異。
1.2.1 蛋白質壹級結構的熱穩定性 研究表明在蛋白質的壹級結構中,個別氨基酸的改變會引起離子鍵,氫鍵和疏水作用的變化,從而大大增加整體的熱穩定性。盧柏松等人對嗜熱和常溫微生物的蛋白質氨基酸組成進行了比較,發現嗜熱菌蛋白質中Leu.Pro,Glu和Arg的含量均高於常溫菌,主要是因為Pro能夠增加蛋白質變性時的熵值,Leu具有較強的疏水性和較大的側鏈,Arg和Glu分別比帶同樣電荷的其他氨基酸具有更大的側鏈,這都有利於提高蛋白質的熱穩定性。
1.2.2 蛋白質天然構象的熱穩定性 嗜熱酶與同源常溫酶的分子結構基本相同,但構成蛋白質高級結構的非***價力,結構域的包裝,亞基與輔基的聚集,以及糖基化作用等不盡相同。通常這些空間的微妙作用有利於蛋白質對高溫的適應。通過比較,醛鐵氧還原蛋白的表面積相對較小,這種形態可減少溶劑反應,增加酶的穩定性。核磁***振和晶體圖分析表明,蛋白的穩定性不是由於總體的結構差異,而是蛋白表面幾個氨基酸的置換。還有較短的表面環,較長的α 螺旋,以及在兩端的氨基酸之間有特異的離子反應,這些反應有助於防止升溫引起的終端區開鏈。
1.2.3 其它促進酶熱穩定性的因素 化學修飾,多聚物吸附及酶分子內的交聯也對提高蛋白熱穩定性有很大貢獻。嗜熱菌體內含有大量的鈣離子促進熱穩定性,鎂離子也有提高tRNA解鏈溫度的作用。此外,超結構、靜電作用也可能是嗜熱微生物提高蛋白質熱穩定性的策略之壹。
1.3 遺傳物質的熱穩定性
1.3.1 DNA結構的穩定性 DNA的穩定性是由配對堿基之間的氫鍵以及同壹單鏈中相鄰堿基的堆積力維持的。經比較研究,發現大多數嗜熱微生物生長上限溫度和G+C%之間存在正相關關系。嗜熱棲熱菌DNA中G+C%含量高達60%～70%,其DNA的構型為A型,DNA相鄰堿基重疊的偏差大,有利於較多氫鍵的維持,此外,組蛋白和核小體在高溫下有聚合成四聚體甚至八聚體的趨勢,能保護裸露的DNA免受高溫降解。
1.3.2 tRNA的熱穩定
嗜熱菌的tRNA周轉速度大於中溫菌,並且GC含量高,因此嗜熱菌的代謝快,保護了熱不穩定的代謝物,使重要代謝產物迅速再合成。最近發現極端嗜熱菌tRNA的熱穩定性與其轉錄後的修飾有關,修飾後的核苷酸有助於莖環上堿基之間的相互作用,及D 環堆積核心氫鍵及離子對的產生。嗜熱微生物核糖體的穩定性是嗜熱微生物生長上限溫度的決定性因子。非wastson Crick堿基對的增加,也能間接導致RNA二級結構中氫鍵數目的增加。此外,RNA螺旋側面突起的堿基和近端酯鍵之間的配對能避免結構上的不穩定性。
1.4 鎢元素的作用鎢在生物系統中是壹種罕見的元素。但對強烈熾熱球菌等古細菌的生長和代謝有重要影響。鎢元素在壹種新的糖酵解途徑—高溫糖酵解途徑的啟動中起到重要作用。
2 嗜熱酶的應用
嗜熱酶具有酶制劑的制備成本低,動力學反應快,對反應冷卻系統要求標準低,減少能耗,提高了產物純度等優點,因此在眾多領域都得到了廣泛應用。
2.1 食品釀造工業食品加工過程中,通常要經過脂肪水解,蛋白質消化、纖維素水解等處理過程。嗜熱蛋白酶、澱粉酶及糖化酶已經在食品加工過程中發揮了重要作用。壹些具有耐熱活性的α 澱粉酶已用於澱粉加工、酒精、啤酒及其他發酵工業生產。嗜高溫水解酶給食品工業帶來生機,消化蛋白酶加工纖維使食品更具風味和有益健康。在啤酒中應用β 葡聚糖酶可以提高麥汁分離速度,降低啤酒渾濁度,減少膠狀沈澱。嗜熱鏈球菌是TTC法檢測牛乳中抗生素的指示菌,又是酸奶生產特定菌,它與保加利亞桿菌混合培養能產生出芳香適口的酸奶。β- 半乳糖苷酶可用於生產低乳糖食品,改善乳制品的風味和營養,在水解過程中還會發生轉糖苷反應,生成具有多種功能的低聚乳糖。
2.2 環境保護在環境保護方面,主要體現在處理食品和造紙工業廢水、芳香族化合物、氰化物、有機磷農藥、重金屬及其他有機難降解物質。利用高溫酶處理木漿可以有效地祛除木質素,減少對化學漂白劑的用量,從而減少了對環境的汙染。在汙水處理及廢物處理方面,人們不僅可以利用高溫酶的耐熱性,更重要的是利用它對有機溶劑的抗性。所以在許多汙染地區利用高溫酶除去烷類化合物的汙染有很大的優勢。
2.3 能源利用目前,人們利用的主要能源物質為煤和石油,利用高溫微生物除硫,所需能量少,避免了好煤的流失及對環境的汙染,既提高了煤的質量,又降低了成本。嗜熱細菌木聚糖異構酶能緩解能源危機和環境汙染的日益嚴重,並促進資源的再生,尤其對農副產品及林產品的木質廢棄物以及以農產品和林產品為原料的木業和造紙廠廢棄物中的木糖的利用,特別是通過微生物轉化木糖產生乙醇的研究已經成為熱點之壹。有研究表明嗜高溫酶能將葡萄糖轉化為氫氣和水,這種從糖中獲取無汙染燃料的方法可能導致能源革命,已經研究了嗜高溫微生物的半纖維素酶,可在較高溫度下水解樹脂。
2.4 石油開采石油開采過程中,利用粘膠混合細沙在巖石床上加壓,出現裂縫後,用超嗜熱酶可以提高油和氣的流動性,加速石油或天然氣的流出。
2.5 代謝工程方面嗜熱菌在糖代謝、三羧酸循環、氨基酸代謝中除了催化每壹步酶的熱穩定性較高以外,還有壹些區別性的特點。如高溫菌的烯醇化酶為10或8聚體,而常溫菌為2聚體,高溫菌中的乙酰輔酶A和天門冬氨酸對丙酮酸羧化酶有雙重作用,纈氨酸對乙酰乳酸合成酶的反饋抑制,高溫菌中有2種類型的天門冬氨酸激酶存在等,為發現新的代謝途徑提供了依據。
2.6 醫藥工業耐熱α 澱粉酶、蛋白酶、脂肪酶等已廣泛應用於醫藥工業。如利用α- 澱粉酶生產葡萄糖,利用脂肪酶高度立體選擇,進行光學合成手性藥物等。極端微生物酶的相關產物已應用於疾病的診斷及治療、胎兒性別鑒定及法醫鑒定等。
2.7 遺傳研究嗜熱微生物酶對核苷酸序列分析、染色體畸變和基因突變等理論研究工作起很大促進作用。在PCR技術中DNA聚合酶起著關鍵性的作用。近年來,PCR得到較大的改進,通過Taq酶或其他壹些低保真酶的作用,PCR反應中加入少量具有高熱穩定性的來自古細菌的高保真性DNA聚合酶,可以大幅度降低大片段DNA(20～40Kb)擴增的錯配率,這對進行壹些哺乳動物的基因擴增是非常有用的。
此外,嗜熱微生物酶在生物轉化及抗生素的生產、冶金工業等方面已有相關報道。3 前景展望 由於環境惡化,能源危機,全球變暖等原因,某些嗜高溫酶,如過氧化氫酶,仍是今後研究關註的熱點。由於嗜熱酶具有的諸多優點,可以將這些酶作為設計和構建工業上具有新特性的蛋白模型而加以利用。目前國內市場嗜高溫酶品種單壹,開發新的品種勢在必行。以已經純化的優良菌株開展進壹步研究,不斷提高產酶水平,有望將來改變我國部分高溫酶依賴進口的局面。由於從基因組所獲得的信息將比其它學科會更迅速地轉化為生產力,因此今後應該加快基礎理論研究,創新性研究,使大批創新性產品成為高科技市場的重要部分,利用模式微生物進壹步促進生物學和生命科學的理論發展。隨著酶工程研究和酶工程產業化,以及生物信息學的不斷發展,尤其是現代生物技術、蛋白質工程、人工合成模擬酶技術、蛋白質全新設計概念、生物壓印技術、酶的定向固定化技術、酶化學技術、非水酶學技術的日益成熟,將使在體外對極端酶進行修飾和改造成為可能,必將更好地解決生物工程和化學工業中的棘手問題。隨著嗜熱微生物酶中新成分、新結構、新機制的不斷發現,以及不斷湧現的新技術的應用,嗜熱微生物酶的開發和應用將出現更加誘人的前景
參考資料：
/html/2/0805/6294.html