极端环境微生物的适应机制及利用.doc

极端环境微生物的适应机制及利用摘要：极端环境微生物是指生活于极端环境中的微生物，它们定义了生命的边界。对极端环境微生物适应机制的研究以及新的极端酶的发现，使得解决工业生产的苛刻条件与蛋白酶易变性的矛盾成为可能。本文分别对嗜热菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜盐菌、嗜压菌6 种极端微生物的适应机制和应用进行了总结。关键词：极端微生物，适应机制，应用 随着人类对生存家园地球乃至整个宇宙的探索开发，人们对原本被视为生命禁区内的生命（极端环境微生物）产生了极大的好奇心。极端环境微生物( extremophiles)是指在一般生物无法生存的高温、低温 、高酸、高碱、高盐 、高压、高辐射、太空等异常环境中生存的微生物群体的统称1，例如嗜热菌( Thermophiles )、嗜冷菌( Psychrophiles ) 、嗜碱菌( Alkali-philes)、嗜酸菌( Acidophiles) 、嗜盐菌( Halophiles)、嗜压菌( Piezophiles) 等。由极端环境微生物适应极端环境所形成的特殊生理特性以及代谢产物，在基础研究、环境保护、食品化工及医学等多个领域中都有巨大应用潜力。本文分别对嗜热菌、 嗜冷菌、 嗜酸菌、 嗜碱菌 、嗜盐菌、 嗜压菌6 种极端微生物的适应机制和应用进行了简要概述。1.嗜热微生物一般把最适生长温度高于45的微生物称为嗜热微生物。另外，还可根据它们的最适生长温度将其划分为嗜热微生物（45-60）、极端嗜热微生物（60-80）和超嗜热微生物（80）。目前发现的嗜热菌大都来自热泉、海底热液口、堆肥、火山等极端环境中，它们中大多数属于古细菌。目前发现的生命最高生存温度为121-1222。1.1适应机理 嗜热微生物是如何适应高温而得以存活的呢？其适应机理主要包括以下几个方面：蛋白质的热稳定性性提高。超嗜热微生物的蛋白质的氨基酸组成与常温微生物并没有不同之处，超嗜热微生物蛋白质倾向于抵抗蛋白质的去折叠（unfolding) : 嗜热蛋白质具有拥有高度疏水的核心结构的趋势； 蛋白质表面具有较多的电荷分布； 蛋白质表面具有更多的离子键相互作用。但是，不同的嗜热蛋白质有不同的热稳定机制没有统一的模式。有时候，一些表面微小变化有可能增强常温蛋白的热稳定性3。DNA热稳定性提高但GC含量并不高。一些甲烷菌中含有较高的环化2，3二磷酸甘油酸cDPG，可以防止DNA的化学损伤，如脱嘌呤化（depurination)，但是这种物质在嗜热菌中不是广泛存在； 所有超嗜热微生物编码反向旋转酶（reverse gyrase, 一种拓扑异构酶),可将正向超螺旋引入DNA中，增加DNA的热稳定性；其它小分子蛋白如广古菌中组蛋白、泉古菌硫化叶菌Sac7d，Alba等，对稳定DNA或RNA也起重要作用4。) 细胞被膜具有典型的革兰氏阴阳肽聚糖型细胞壁的高温菌,无法生长于 80以上,但嗜热菌如高温神袍菌( The rmotoga),除有肽聚糖外还有由六角形排列的外膜蛋白组成的类似鞘的外层结。又如能在110生长的 Methanothe rmus 、fervicus 具有由蛋白表面层(PS) 或糖蛋白表面层(GPS) 组成,其中GPS有惊人的抵抗力,如 Thermooproteus 的GPS 在碱性2%SDS ,煮沸下都不被破坏,可一直保持细胞的原始形态。1.2应用利用嗜热菌体产生的酶，如从嗜热古细菌 Thermus aquoticus 中分离出来用于PCR技术的 Taq DNA聚合酶，这一酶的应用大大促进了分子生物学的发展。一些嗜热微生物还具有开发其他工业用酶的潜质，与通过基因工程的办法来获得耐高温的酶相比，节约了成本。另外，嗜热微生物还可用做菌体发酵 ，由于高温反应的优点,加热条件下的操作也较容易,如用极端嗜热菌生产乙醇。2.嗜冷微生物一般认为嗜冷微生物（ psychrophile）是指最适生长温度低于15 , 而在温度高于 20-25 不能生长的微生物。耐冷微生物（ psychrotroph，或psychrotolarant ）是指能够在低温甚至 0下生长，但其最适生长温度高于20 。嗜冷微生物和耐冷微生物主要包括细菌、古菌、酵母菌、真菌、原生动物和microalgae。它们的生存环境包括海洋、冰川、土壤、人为环境等。2.1适应机制普遍认为，微生物（也包括其它生物）通过膜的流动性增加，减少低温对生物的伤害，适应寒冷环境。低温诱导的膜流动性变化的可能方式：不饱和脂肪酸含量增加; 缩短酰基链的长度，增加脂肪酸支链的比例和减少环状脂肪酸的比例等，只有在生长的细胞中才能对链的长度进行调整，可能不是一个普遍采用的方法；;冷休克蛋白的产生使得冷休克基因能正常表达；类胡罗卜素 (carotenoid) 组成的变化。嗜冷微生物还产生了一些嗜冷酶，嗜冷酶与常温酶相比，氨基酸组成上发生一些变化，使其在低温下仍能保持较高的催化活性5-6。2.2应用已有多种低温酶得到了纯化或克隆表达，它们主要用于以下几个方面：在寒冷环境下污染物生物降解能力的提高可通过低温微生物特有的冷适应酶实现,这一方法不但可使大规模的牲畜粪便厌氧耐冷分批消化成为可行,同时也使低温下鱼类加工厂中大量油渣以及寒冷地区污染物的生物降解都成为可能7冷活性酶可在食品低温加工过程中起重要作用例如Brechley发现冷活性, -半乳糖苷酸可用于降解奶制品中乳糖含量,使许多对乳糖敏感的人能饮用。低温微生物具备抗冻融能力,若能弄清其生理及分子机制,提取出有用的相关基因及产物,将会在基础研究和开发利用如动植物抗冻医用疫苗、食品保鲜及低温发酵等方面带来好处。3.嗜酸微生物嗜酸微生物指能在pH 1.0 5.0 的环境中生长， 但在pH5.5 以上则不能生长的一类微生物。又可分为极端嗜酸微生物（最适生长pH3）和中度嗜酸微生物（最适生长 pH 3-5）。它们的生存环境主要包括热泉、海底热液口、矿堆、人或动物胃等。3.1适应机制嗜酸微生物能在酸性环境中能够生存主要是它们可以维持胞内pH保持中性。保持中性的解释有三种，即“泵说”、“ 屏蔽说”、“道南平衡说”。“屏蔽说”认为，细胞质膜是两种环境的渗透屏蔽物， 使外部 H+和 OH都不能进入细胞内， 进而维持胞内 pH 近中性；“ 泵说 ”认为，嗜酸微生物中存在 H+/ K+( Na+) 反向转运功能的特殊蛋白，以维持细胞内环境接近中性，并保护易受酸破坏的组分；“平衡说”认为，细胞质膜存在高分子电解质，并形成所谓的 Donnan 电位( 这种电位与正常的膜电位的电场方向相反，存在于细胞膜中) 以阻碍过量的 H+进入膜内，从而维持膜内的中性状态研究发现， 即使终止呼吸和能量代谢，细胞内仍保持着中性。因此，“泵说”和“平衡说”对细胞内呈中性的解释仍存在着缺陷，而屏蔽说解释其适应机理较为适宜。3.2应用适酸菌(尤其是无机自养型细菌)在低品位矿生物沥滤回收贵重金属,原煤脱硫及环保等方面有巨大应用价值。如嗜热嗜酸菌(如硫化菌) 既能脱除煤中无机硫也能脱除有机硫. 嗜酸硫杆菌还可以用来处理含硫废气、改良土壤8。4.嗜碱微生物一般把最适生长 pH 在9.0以上的微生物称嗜碱微生物（Alkaliphiles），其所耐pH高达10 12。耐碱微生物是指能够在pH9.0以上的环境条件下生长或生存、但最佳生长条件是中性或偏酸性环境。4.1适应机制嗜碱微生碱的适应机制主要包括：钠离子质泵反向运输是嗜碱菌细胞质碱化的基本原因，为了使其发挥作用， 需要胞内有足够的钠离子，钠离子的跨膜循环是必要的;相关嗜碱菌钠离子/ 氢离子反向运输的基因已经从嗜碱菌 BaciiiusC- i25 中得到了克隆；细胞外膜是胞内中性环境和胞外碱性环境的分隔；嗜碱微生物碱性酶在高pH 下稳定，嗜碱菌的细胞壁含有酸性多聚物，带负电荷，降低了细胞表面的pH，细胞膜利用 Na+/H+反向载体系统运输Na+，而K+/H+反向载体和ATP酶驱运了H+排出质膜，也可以维持胞内pH的稳定性;嗜碱微生物可产生大量的碱性菌，为嗜碱微生物的生存提供了条件嗜碱微生物细胞壁中含有酸性多聚体物质： 半乳糖醛酸,葡(萄)糖酸,谷氨酸,天冬氨酸和磷酸等，它们使细胞表面带负电荷，吸收钠离子和质子，抵抗OH-9。4.2应用1958, Horikoshi 首次报道Bacillus circulans可裂解米曲霉Aspergillus oryzae细胞；1971， Horikoshi首次报道利用嗜碱微生物生产碱性蛋白酶和碱性淀粉酶；之后多种嗜碱微生物从环境中分离出来；碱性蛋白酶、碱性淀粉酶、碱性纤维素酶和碱性木聚糖酶已在工业上大规模应用。5.嗜盐微生物可分为嗜盐型(extremelalophoto) 和耐盐型(me-halotolerant) 前者一类在一定浓度盐中可正常生长,且高浓度盐是生长必需条件的微生物； 后者是一类能耐受一定浓度盐溶液,但在无盐条件下也可正常生长的微生物。高盐环境包括海洋高盐环境、内陆湖泊、南极湖泊、动物皮毛表面、腌制食品等。5.1适应机制嗜盐微生物在适应机理上有多种。主要包括依赖光驱动的离子泵吸收大量的钾离子，这类微生物适应性较差。细胞内的蛋白质为酸性，多数以K+离子作为辅助因子，并以K+以保持稳定，这类微生物为数较少。多数微生物体内产生简单、不带电荷或两性的有机溶质，从细胞内排除离子。细胞壁上的糖蛋白含有较高比例的酸性氨基酸，它们需要大量Na+来保持稳定。5.2应用利用嗜盐菌菌体发酵,可生产离聚化合物. 如聚羟基丁酸( PHB) 可用于可降解生物材料的开发,又可生产食用蛋白、添加剂、表面活性剂等。另外，嗜盐古菌和紫膜蛋白能通过构型的改变储存信息,可作为生物计算机芯片的新材料。嗜盐菌还可用于高盐污水的处理10。6.嗜压微生物Horikoshii等将嗜压微生物定义为在大于40 Mpa下呈现最适生长的微生物；耐压微生物是指在小于40 Mpa 大气压下呈现最佳生长、在正常大气压 (0.1 MPa) 下能够很好生长的微生物。耐压微生物又称中等嗜压微生物。Bartlett11定义嗜压微生物为呈现最适繁殖速率的压力大于0.1 MPa的微生物，而将超嗜压微生物定义为大于60MPa下，呈现最快生长的微生物。嗜压微生物研究最少, 嗜压机理目前仍不十分清楚；对压力变化的调节，对所有生物都很重要。 理论上，研究嗜压微生物研究可能对了解生命的起源有帮助；可能在高压生物反应器中发生作用；对了解其它生物对压力的调节可能启示作用。7.展望极端微生物的研究虽然起步晚，但是发展很快，极端微生物特殊的多样化适应机制及其代谢产物将使某些新的生物技术手段成为可能，在食品工业环境保护医药工业能源利用遗传研究生产特殊酶制剂等多种生产和科研领域中发挥着重要的作用，具有广阔的研究与应用前景搜集极端环境微生物资源，深入研究它们的特征以及生理机制，发现与应用新极端酶，人们有望解决工业生产的苛刻条件和酶蛋白有限稳定性之间的矛盾，建立高效率低成本生物加工技术此外，采用基因工程技术，对极端微生物性状功能进行有益改良，进而为人类服务，是一条崭新的道路。但是， 极端环境微生物采集和培养需要特殊的设备和条件，造成极端微生物研究相对缓慢，尤其是极端微生物代谢产生特有的生物活性物质的稳定机制等尚不是很清楚，工业化生产尚不成熟，因此对极端微生物进行的深入研究具有重要的意义。参考文献：1黎唯，李一清，李铭刚，等极端环境微生物源活性物质的研究进展J国外医药(抗生素分册)，2007，28( 1):152Michacl W, AdainsW. 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