极端环境下的古细菌

极端环境下的古细菌

可以在极端环境下生长的微生物被称为端微生物和嗜极菌。极端环境指普通微生物不能生存的环境,如高温、低温、低pH、高pH、高盐度、高辐射、含抗代谢物等的环境。研究极端微生物,有利于人们了解生命的本质,并控制、利用它们。近年来,对极端微生物的研究很多转向大多为极端微生物的古细菌。目前,从古细菌的命名、分类到生活环境、生理结构及适应机制、应用等方面,都有了很大的发展。本文主要结合古细菌介绍一下极端微生物的研究概况。1古细菌与真核生物的分离自七十年代发现古细菌并把它单独列为一门以后,古细菌很快受到科学研究者的重视。最初根据其16sRNA(18aRNA)序列分列的分子进化的研究,说明它既不同于真核生物也不同于真细菌,因其形态接近真细菌而命名为古细菌。实际上,古细菌并不比真细菌更为古老。根据对古细菌RNA的进一步的研究,发现它们与真核生物的关系要比与真细菌的关系更为密切。古细菌与真核生物之间的分离,要比细菌与真核细菌从其他生活型的分枝晚150万年左右。因此,为古细菌命名的沃斯(C.Woese),鉴于“古细菌”(Archaea)名称容易带来的混淆,已经建议改称之为Archaeotida现在许多人已经接受了Bergy氏系统的分类法,将生物分为真核生物(Eucaria)、真细菌(Bacteria)、古细菌(Archaea)三个域。2极端微生物的性质及其生理特征2.1温度对一族古细菌的生长一般最适生长温度在90℃以上的微生物,被称做极端嗜热菌。已发现的极端嗜热菌有20多个属,大多是古细菌,生活在深海火山喷口附近或其周围区域。如斯坦福大学科学家发现的古细菌,最适生长温度为100℃,80℃以下即失活;德国的斯梯特(K.Stetter)研究组在意大利海底发现的一族古细菌,能生活在110℃以上高温中,最适生长温度为98℃,降至84℃即停止生长;美国的巴罗斯(J.Baross)发现一些从火山喷口中分离出的细菌可以生活在250℃的环境中。嗜热菌的营养范围很广,多为异养菌,其中许多能将硫氧化以取得能量。2.2长在火山区或含硫量过大地区的代谢产物一般指生活环境pH值在1以下的微生物,往往生长在火山区或含硫量极为丰富的地区,多为古细菌,其体内环境保持pH值7左右。能氧化硫,硫酸作为代谢产物排出体外。嗜酸菌往往也是嗜高温菌。2.3嗜盐菌及常见盐液浓度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。嗜盐古细菌分为一科(嗜盐菌科)六属:嗜盐杆菌属、嗜盐小盒菌属、嗜盐富饶菌属、嗜盐球菌属、嗜盐嗜碱杆菌属、嗜盐嗜碱球菌属。一般生活在10%～30%的盐液中。嗜盐菌中,有人发现了一种呈四方形的古细菌。繁殖时,先向一方延长,然后分裂成两个四方形菌;再一起向另一方延长,进而分裂成四个。2.4嗜碱菌生长ph值多数生活在盐碱湖或碱湖、碱池中,生活环境pH值可达11.5以上,最适pH值8～10。我国科研工作者从内蒙古碱湖中分离出一株嗜碱菌No.10-1,其生长pH值为8～13,最适pH值为10～11。好气,杆状,能运动,G-,可生产碱性淀粉酶。2.5淡水鱼类的生长环境好。在环境生长一般生活在深海底,能耐普通微生物不能忍耐的高压。多数生长在0.7～0.8MPa的环境中,高的达1.04MPa以上,低于0.4～0.5MPa则不能生长。目前报道的最耐压的是美国海洋学家发现的一些种,能够生长在1.3～1.4MPa环境中。日本科学家也在3000～6000m深的深海鱼类肠道内发现了极端嗜压菌。多为古细菌。2.6生物的嗜冷性质深海的极端嗜压菌往往也是极端嗜冷菌。在真核生物中也有一些嗜冷的真菌和藻类,它们在两极冰雪和高山雪坡上生长。极端嗜冷菌的最适生长温度一般为-2℃以上,高于10℃则不能生长。3极端微生物和适应机制3.1trna的增加其耐热机制,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,如进行共价交联,成为两面都是亲水基的单层脂,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。这使其中的酶形成非常紧密而有韧性的结构,利于热稳定。(4)其他原因:如斯坦福大学发现的古细菌中的一种含钨的酶(一般生物中的钨没有什么用),认为它在耐高温的古细菌的代谢中起关键性作用。3.2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。3.3浓度对高na+浓度下底物和代谢产物的影响嗜盐菌从细胞结构到组成成分上,都有一些耐盐的因素。(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。这是一个光驱“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)细胞壁成分特殊,不含肽聚糖而以脂蛋白为主。细胞壁的完整由离子键维持,高Na+浓度对其细胞壁蛋白质亚单位之间的结合,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,发现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,从而形成一水保持层,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。3.4涂膜保鲜的能量在该类菌中,Na+/H+反向载体可维持细胞质pH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+,使细胞建立起一个向内的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。而F0F1?ATPase直接利用呼吸链组分传递的高ΔμH+质子,催化ATP的合成。3.5压力对蛋白质表达的影响极端嗜压菌的DNA中有一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,以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。3.6分子表面结构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中,发现其血清中的抗冻蛋白起很大的作用,这种抗冻蛋白在大肠杆菌中也可冷诱生成。4极端微生物的应用4.1发酵活性酶taq-pcr(1)利用菌体发酵:由于高温反应的一些优点,加热条件下的操作也较容易,有人用极端嗜热菌生产乙醇。(2)利用菌体产生的酶:如用于PCR技术的TaqDNA聚合酶,是从嗜热古细菌Thermusaquoticus中分离出来的。日本也将嗜热蛋白酶固定化用于制造天冬甜精。还有人将嗜热酶(如纤维素酶等)用于钻探操作,促使石油或天然气流入油井孔。(3)为基因工程菌提供特异性基因;如德国Hensel等表达了嗜热古细菌的一个重组基因,表达产物的催化活性及稳定性均与天然酶相同。4.2从食品加工生产(1)利用菌体发酵方面,可用以生产聚羟基丁酸(PHB)、胞外多糖类物质(如EPS、PAVE)等多聚化合物,也有用来生产食用蛋白、食品添加剂、酶的保护剂和稳定剂、表面活性剂、抗微生物化合物、类激素物质、EPA等。也可用来除去工业废水中的磷酸盐、开发盐碱地、开发能源等。(2)从利用嗜盐酶看,有利用生产SOD、胞外核酸酶、胞外淀粉酶、胞外木聚糖酶等。(3)基因工程中,利用大肠杆菌产生嗜盐性芽孢杆菌的胞外木聚糖酶已获成功。此外,嗜盐古细菌和真细菌中的质粒都会有助于基因工程菌的研制。4.3从纺织品、淀粉及嗜碱菌至麻脱胶主要是应用该类菌所产生的酶,如用耐碱蛋白酶和碱性纤维素酶作洗涤剂的添加成分,也可将碱性淀粉酶用于纺织品退浆及淀粉作粘接剂时的粘度调节剂等;用于皮革工业中的脱毛工艺以提高脱毛效率和质量,利用嗜碱菌进行苎麻脱胶。嗜碱菌中的基因可以用来调节其他细菌中基因产物的表达和分泌。已有人将嗜碱菌的纤维素酶、木聚糖酶、淀粉酶、环状糊精葡萄糖基转移酶、β?甘露聚糖酶等在中性细菌中加以克隆和表达。4.4合成epa和酶日本发现的深海鱼类肠道内的嗜压古细菌,80%以上的菌株可以生产EPA和DHA,最高产量可达36%和24%。已经有人通过基因重组,使这些菌有效生产DHA。另外,嗜压菌还可以用于高压生物反应器。4.5极端嗜酸菌已用来脱除煤中的无机硫,处理含硫废气,改良土壤等。还有用于冶金,提取矿物等。4.6极端嗜冷菌国内的应用报道较少。国