极端微生物的特性及应用

极端微生物的特性及应用

摘要：依赖极端环境才能正常生长的繁殖的微生物，称为嗜极菌或极端微生物，极端微生物的类型有嗜热微生物、嗜冷微生物、嗜酸微生物、嗜碱微生物、嗜盐微生物、嗜压微生物。其细胞中的DNA、RNA、蛋白质、脂类和多糖成分，以及其代谢途径、基因表达、抗逆性机制等都与一般生物不同，近年来倍受各国学者们的重视。

关键词：嗜热微生物；嗜冷微生物；嗜酸微生物；嗜碱微生物；嗜盐微生物；嗜压微生物

1.引言

嗜极菌是指生活在各种极端恶劣环境下的微生物。极端环境的如高温、低温、高压、高酸、高碱、高盐、高渗、干旱以及含高浓度的有机溶剂、重金属或其他有毒物质的环境或高辐射环境等。凡依赖这些环境才能正常生长的繁殖的微生物，称为嗜极菌或极端微生物，极端微生物的类型有嗜热微生物、嗜冷微生物、嗜酸微生物、嗜碱微生物、嗜盐微生物、嗜压微生物。其细胞中的DNA、RNA、蛋白质、脂类和多糖成分，以及其代谢途径、基因表达、抗逆性机制等都与一般生物不同[1]，因此不仅在生物学基础理论研究中具有重要意义，而且在生产实践（冶金、采矿、石油开采、特种酶制剂和代谢产物的生产等）中具有巨大的应用潜力。因此，近年来倍受各国学者们的重视。本文就极端微生物的功能特性、生理机制、工业应用及研究进展等各方面进行阐述。

2.极端酶

来自嗜极菌的酶称为极端酶，嗜极菌之所以能生长于超常生态环境条件下,与极端酶具有的非凡功能是分不开的。极端酶来自嗜极菌,但并非嗜极菌体内所有的酶都是极端酶。例如,嗜酸菌或嗜碱菌的细胞仍保持接近中性的内环境,其胞内酶仍属中性酶。但其胞外酶,如淀粉酶和蛋白酶等则不同，仅在极酸或极碱条件下起作用）[2]。由于适合极端酶生长的条件一般具有腐蚀性,并产生有毒物质,不能用常规发酵系统来生产,因而极端酶的分离纯化目前还限于小规模，低产量水平。

2.1极端酶的稳定因素[3]

仅有少数几种极端酶的晶体结构现已搞清楚。有关极端酶稳定因素的研究主要通过比较极端酶与相应中性酶的一级和二级结构,以及建立计算机模型来进行。1993年Rentier-Delrue小组研究了几种嗜冷酶,包括蛋白酶、脂肪酶和半乳糖苷酶,发现它们含有几个中性酶所没有的“额外”氨基酸残基。后来,Feller小组也得出相似的结论。他们建立的计算机模型表明,嗜冷蛋白酶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个极性环状结构呈伸展状态分子内缺少离子间作用与疏水作用。这些结构特征使酶分子呈较松散状态,具有较大的可变性,从而导致酶的稳定性降低。

有关超嗜热酶的研究表明,酶的分子结构与同源的中性酶基本相同,其稳定性可能来自许多微妙的作用,包括稍长的螺旋结构,三股链组成的β-折叠结构,C和N端氨基酸残基间的离子作用以及较小的表面环等。这些因素使超嗜热酶形成非常紧密而有韧性的结构,从而有利高温条件下酶的稳定。经与余种中性蛋白的结构相比较,发现中每个氨基酸残基所含离子对数目稍多。同时,有最小的溶剂暴露表面和最大的原子包理数。但这是否稳定的决定因素尚不肯定闭。此外,有人认为超嗜热菌体内存在阻止变性的热保护剂。显然,即使胞内溶质确有稳定超嗜热酶的作用,其机制也不尽一致相同。

与中性酶相比，嗜盐酶所含的酸性氨基酸比率较高,尤其是在分子表面。这些酸性氨基酸侧链能把水分子结合到酶的分子表面,形成一个水保持层,从而阻止酶分子相互凝聚。通过建立嗜酸α-淀粉酶的计算机模型,德国Bakker的等发现,与中性酶相比,酸性氨基酸残基的代换主要发生在分子表面,因而酶的电荷密度较低可能有利防止酶在低pH条件下分子间的静电排斥作用。嗜碱酶也具有类似特点[4]。据日本的Imanaka等的研究,一种丝氨酸蛋白酶的适宜pH为13，可能含酸性氨基酸较少,而精氨酸·赖氨酸的比例较高,因而在较高pH条件下,酶本身仍带有净电荷,从而具有稳定性。

由上述可见,有关极端酶稳定因素的研究才刚刚开始,尚有许多未知因素有待探索。深入研究极端酶的稳定机制,将促进极端酶的开发和利用,具有重大的理论和实践意义。

2.2 极端酶的应用

由于极端酶在超常条件下起作用,因而有一系列重要用途,尤其是在工业生产的极端温度、极端或有机溶剂条件下,极端酶的应用非常重要。

最典型的就是热的DNA聚合酶。它来自水生栖热菌,已被用于聚合酶链反应（PCR）。穆利斯因此而获得1993年度诺贝尔化学奖。据日本的Nakanishi报道,固定化的嗜热蛋白酶已被用于制造天冬甜精。该酶在乙酸乙醋/水的两相介质中,催化下列反应：N-卞氧基-L-天冬氨酸+L-苯丙氨酸甲酯——>天冬甜精前体,天冬甜精的生产能力达到10吨/m3月。细菌和真菌的淀粉酶包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖胺酶等,已被广泛用于淀粉加工工业。由于嗜热酶比相应的常温酶有更好的热稳定性,对酸、碱、有机溶剂等也有较好的抗性,因而嗜热及超嗜热淀粉酶在淀粉工业加工方面备受重视。目前,玉米糖浆的生产是通过中度嗜热的淀粉酶将玉米淀粉转化为高果糖浆。加工的最后一步,是在60℃由固定化葡萄糖异构酶催化葡萄糖转化为果糖。然而,果糖产量并不高。如果升高反应温度,将有利果糖产量的提高。因此,选用超嗜热的异构酶将有重要价值。

嗜碱酶主要工业用途之一是用作去污剂添加成份[5]。去污剂溶液的pH 通常为8.0-10.5。由于嗜碱酶耐碱,可用作去污剂的添加成分。Novo和Show-DenkoKK等工业公司已将嗜碱枯草芽抱杆菌的耐碱蛋白酶投入商品化生产。洗涤试验表明,去污剂中加入该耐碱蛋白酶,显著提高洗涤效率。由嗜碱枯草芽抱杆菌生产的碱性纤维素酶也用作洗涤剂的添加剂,并已品化生产。在日本,市场上的40%洗涤剂含有该酶添加剂。

其它研究表明,从深海嗜压菌分离的基因与蛋白质能适应高压条件。据此,嗜压菌及其嗜压酶可用于生产高压生物反应器,以及食品加工中的高压灭菌。

近几年来，国内外有关极端酶的研究发展很快，尤其是日本和欧美各国，但有关极端酶结构和功能统一机制还不是很清楚，因而其广泛应用受到限制，至今只有一小部分极端酶被分离纯化，应用于生产实践的极端酶则更少，如何更好地拓展极端酶的应用领域是大家共同关注的问题。就目前研究的现状来说，进一步加强对极端酶稳定机制的基础性研究，并将新的生物技术引入极端酶工程领域将是今后极端酶研究的主攻方向。