极端微生物的分类、生理结构及应用

极端微生物的分类、生理结构及应用

所谓的极端微生物是指在一般生物无法生存的极端环境（高温、低温、强碱、高盐、高压、高辐射等）中正常生存的微生物群的总称。极端微生物主要包括嗜酸菌、嗜盐菌、嗜碱菌、嗜热菌、嗜冷菌及嗜压菌等。由于它们具有特殊的基因型、特殊的机制及产物,对人类解决一些重大的问题如生命起源及演化等有很大的帮助,且在生物技术领域具有很大的应用前景,已成为研究的热门领域。目前,在极端微生物分类、生活环境、生理结构及适应机制、应用等方面,都有了很大的发展。1古细菌16srna序列及分子进化截至目前为止,已报道的极端微生物具有较广的物种区系,但其中以古细菌为最多。近年来,基于古细菌16sRNA序列分析的分子进化研究,初步表明其不同于真核生物和真细菌。因此,目前,分类学界将其分为真核生物(Eucaria)、真细菌(Bacteria)、古细菌(Archaea)三域。2极端微生物群2.1超嗜热微生物最适生长温度在45℃以上的微生物称作嗜热微生物(Thermophiles)。最适生长温度在80℃以上的微生物称为超嗜热微生物(Hypethermophiles)。自1965年LouiseBrock在黄石国家公园82℃的温泉中首先分离到极端嗜热菌后,到目前为止,已经发现43个种,隶属于21个属的嗜热和超嗜热微生物,这些微生物多是从温泉和海底火山口分离培养获得。2.2耐冷微生物psychrotoelmanims最高生长温度小于20℃,最适生长温度小于15℃,最低生长温度小于0℃的微生物称为嗜冷微生物。有些微生物虽能在0℃或小于0℃以下生长,但都具有20℃～40℃的最高生长温度,这种微生物称作耐冷微生物(Psychrotolerantmicroorganisms)。嗜冷微生物生长在南极大陆或常年积雪的雪山或冻土等环境中。到目前为止,在这些低温环境中已经发现了多种嗜冷微生物,如细菌、古细菌、真菌和微藻类等。2.3最适生长ph值的单一微生物一般认为,嗜酸微生物指能在pH值1.0～5.0的环境中生长但在pH值5.5以上则不能生长的一类微生物。极端嗜酸微生物则可以生长的pH值上限3.0,最适pH值1.0～2.5。极端嗜酸微生物多分布于金属硫矿床酸性矿水、生物滤沥堆及含硫温泉和土壤中,包括原核和真核两大类。2.4嗜碱微生物由于许多微生物常因生长条件(如营养成分、生长因子、温度)改变而改变其抗碱的能力,所以关于嗜碱和耐碱微生物还没有一个确切的定义。许多人认为最适pH值在9.0以上的微生物称为嗜碱微生物。嗜碱微生物中在pH值中性或以下不能生长的称为专性嗜碱微生物,否则为兼性嗜碱微生物,能在高pH值下生长,但最适pH值不在碱性范围内的微生物为耐碱菌。自1922年首先发现第1个碱性固氮菌后,目前有大量不同类型的嗜碱微生物已经从土壤、碱性泉、碱湖及海洋中分离到,包括细菌、真菌和古细菌。嗜碱微生物多生长在特定地理环境条件和气候因素下,人为因素或人为的工业过程(食品加工及制革等)及诸如氮化、硫酸盐还原或氧化还原作用等生长代谢作用造成的碱性环境中。2.5极端嗜盐菌的分离和鉴定极端嗜盐菌是一类生活在高盐度环境中的古细菌,从死海和死谷中都分离出了极端嗜盐菌,我国也从新疆和内蒙古的盐碱湖中分离出一些极端嗜盐菌。嗜盐古细菌分为1科6属,一般生活在10%～30%的盐液中。3极端微生物研究现状由于极端微生物具有特殊的基因型,对人类解决一些重大的问题如生命起源及演化等有很大的帮助,同时极端微生物又具有独特的生理特点和生化特性,因而目前对极端微生物的研究主要集中在两个方面,一方面是极端微生物在工业、化工、食品等领域具有巨大的应用价值,其中尤以极端微生物特有酶类和抗生素等生物活性物质最为引人注目;另一方面是各类型极端微生物对各种极端环境适应或抗性的机理的研究。3.1生物活性物质3.1.1发酵工艺及助剂酶作为大分子的活性物质,在应用过程中常会出现不稳定性,尤其在高温、强酸、强碱和高渗极端条件下更容易失活。近年来,以极端酶研究为核心,利用基因工程技术开发了在极端条件下仍持高活性和稳定性的新酶种。人们已从嗜热菌中分离到多种嗜热酶(55℃～80℃)及超级嗜热酶(80℃～113℃),不仅具有化学催化剂无法比拟的优点,而且高温下稳定性好,克服了中温酶(22℃～55℃)及低温酶(-2℃～20℃)在应用过程中常出现的生物学不稳定的缺点,从而使许多高温化学反应得以实现。近年来,低温酶的研究主要集中在耐冷机制和生物工程应用方面。已有20多种低温酶得到了纯化或克隆表达,主要可应用于食品工业、低温条件下的生物催化、洗涤添加剂、环境生物治理。嗜碱菌可以产生多种嗜碱酶,如由嗜碱杆菌产生的环糊精糖基转移酶(CGTase)可用于生产环糊精,与普通细菌产生的CGTase相比,嗜碱CGTase使环糊精的产率大大提高(达70%～90%),环糊精可直接自淀粉水解产物中结晶析出,不需要像传统工艺那样加入毒性有机溶剂去沉淀环糊精,使生产成本大大降低。蛋白酶及纤维素酶用于清洁剂,可以显著提高洗涤效率,现已投入工业化生产。在日本,市场上40%的洗涤剂含有由嗜碱枯草芽孢杆菌产生的碱性纤维素酶添加剂。嗜碱酶用于皮革工业的脱毛工艺,可显著提高脱毛的效率和质量,避免了旧工艺使用NaOH和Na2S对毛皮的损伤、使皮革肿胀、后续加工难以进行的缺点。在日本,来自嗜碱菌的果胶酶(pectinase)已被用于提高纸张的质量,将此酶用于1个新的沤麻工艺中可生产出高质量的非木质纸张,其强度比传统纸张提高许多。此外,嗜碱菌还能产生淀粉酶、脂肪酶、木聚糖酶、几丁质酶等,具有广阔的应用前景。嗜盐酶能够在较高盐浓度下发挥作用,现已应用的主要是利用嗜盐菌生产SOD、胞外核酸酶、胞外淀粉酶、胞外木聚糖酶等。3.1.2抗真菌活性化合物有报道称,利用嗜热菌Thermoactinomyces获得了9种抗生素,其中热红菌素及热绿链菌素已工业化生产,并在医药领域得到应用。Phoebe等发现了1个新种嗜热菌Pseudomonasakbaalia,并从其发酵液中分离到具有抗真菌活性的化合物,命名为Pyochelin,这是首次关于极端微生物产生抗真菌化合物的报道。此外,具有抗癌活性的抗生素氨茴霉素(Anthramycin)亦来源于耐热放线菌。现已发现有上百株极端嗜盐菌可以产生嗜盐菌素,它是一类蛋白类抗生素,嗜盐菌素与细菌素相似,是由质粒编码、核糖体合成的。不同的嗜盐杆菌所产生的嗜盐菌素其抑菌谱互不相同,除了嗜盐菌之间相互抑制外,厉云等已发现由halobacteriumQD5产生的嗜盐菌素对蜡状芽孢杆菌(Bacilluscereus)也有一定的抑制作用。3.2极端微生物的适应性机制3.2.1提高热热稳定性的机制极端嗜热菌耐热机制,一般是多种因子共同作用的结果。(1)膜的化学成分随环境温度的升高发生变化。如饱和脂肪酸含量升高,形成更多疏水键,增加了膜的稳定性。耐热古细菌膜上的双层类脂发生结构重排,也可增加耐热性。(2)重要代谢产物能迅速合成,tRNA的周转率提高。DNA中G、C的含量较高,促使生物体中的遗传物质更加稳定。一些组蛋白也可增加DNA的耐热性。(3)蛋白质的热稳定性提高。其天然结构更加稳定,蛋白质一级结构中的个别氨基酸的改变导致其热稳定性的改变。二级结构中包括稍长的螺旋结构,三股链组成的β—折叠结构、C—末端和N—末端氨基酸残基间的离子作用以及较小的表面环等,使其中的酶形成非常紧密而有韧性的结构,利于热稳定。3.2.2极端嗜酸菌一般认为这种菌具有高度韧性的膜,膜对H+和OH-具有不透性,其泵功能很强,所以能使菌体内保持中性,并忍耐体外高酸浓度。3.2.3高盐浓度对于嗜盐菌的作用嗜盐菌从细胞结构到组成成分都是构成耐盐的因素。(1)极端嗜盐菌细胞膜上的紫膜含量在高盐低氧的环境中,主要由以细菌视紫质为代表的一类视紫醛蛋白组成。这是1个光驱“质子泵”,可弥补高盐浓度下底物有氧氧化所得能量的不足。(2)细胞壁不含肽聚糖而以脂蛋白为主,细胞壁的完整性由离子键维持,高Na+浓度对其细胞壁蛋白质亚单位之间的结合和保持细胞结构的完整性是必需的。(3)极端嗜盐菌还积累或产生一些维持细胞内外渗透压平衡,又有助于细胞代谢活动的相溶性物质,如积累K+,合成糖、氨基酸等。(4)这类菌体内的酶也是嗜盐性的,其产生、稳定和发挥活性都需要高浓度盐这一条件。与中性酶比较,极端嗜盐菌中的酶所含的酸性氨基酸比率较高尤其是在分子表面,从而形成水保持层,阻止了酶分子的相互凝聚,其中的个别氨基酸的保守性也有助于其适应高盐环境。3.2.4atp为细胞生长提供能量在该类菌中,Na+/H+反向载体可维持细胞质pH值处于正常范围,从ATP获得能量,对Na+有专一性,不断向细胞外排出Na+,使细胞建立起1个向内的ΔμNa+,为细胞摄入溶质提供能量;细胞膜上的Na+/溶质同向载体利用ΔμNa+,进行氨基酸、有机酸和部分离子的主动运输。3.2.5压力对蛋白质表达的影响极端嗜压菌的DNA中有1组能调节压力影响的基因。这些基因在高压下表达,并通过它们减少某些蛋白质的产出率,在压力增加的条件下,可以减少膜的通道,从而阻止体内的糖和基他营养成分扩散到体外。3.2.6天冬氨酸残基有人研究了几种极端嗜冷古细菌中的嗜冷酶,认为这类酶中含有大量带负电荷的氨基酸残基,特别是天冬氨酸残基。分子表面的极性环状结构呈伸展状态,分子内缺少离子间作用力与疏水作用。这使酶分子呈松散状态,具有较大的可变性,导致酶的热稳定性降低。而对一些耐寒海洋鱼类的耐冷机制的研究发现,其血清中的抗冻蛋白起很大的作用,这种抗冻蛋