低温微生物及其酶类的研究概况

・综　述・

低温微生物及其酶类的研究概况3

曾胤新,俞　勇,蔡明宏,何剑锋,陈　波

(中国极地研究所,上海　200129)

摘　要　广泛分布在地球寒冷生境,如南北两极、高山、深海以及冰川中的低温微生物,不但为研究低温生态系统、生命起源与进化以及生物适冷机制提供了丰富的材料,同时在生物工程方面也具有潜在的巨大开发价值。国内外越来越多的科研人员对低温微生物及其产物的研究表现出了浓厚的兴趣。关于细胞膜和低温酶的研究,是目前微生物适冷机制研究中的2个热点。就低温微生物的研究现状和适冷机制以及低温酶类的研究进行了综述。

关键词　低温微生物;适冷;低温酶

中图分类号　Q939.9 文献标识码　A 文章编号　1005-7021(2004)05-0083-06

低温微生物是泛指对低温具有生长适应能力的所有微生物,它们广泛分布于地球上的所有寒冷环境中,包括高山地区、深海海区、南北两极、冰川、淡水湖泊以及冷冻食物。按照最适生长温度和生长上限温度的不同,它们一般被分为2大类:嗜冷型(psychrophilic)和耐冷型(psychrotrophic或psychrotolerant)。其中,嗜冷菌通常是指最适生长温度≤15℃,生长上限温度<20℃的菌株;耐冷菌则是指能够在0℃左右良好生长、但最适生长温度>20℃的微生物[1]。

在自然界中,低温环境比高温环境在生态学方面的影响范围更广:生物圈中超过80%的地方,温度低于5℃。海洋的大部分区域,水温低于5℃;在南、北两极,海洋平均温度仅为-1.8℃,而绝大多数土壤的温度,即使在夏季也不会超过5～10℃[2]。在其所处的自然生境中,低温微生物经常遭受到快速且幅度剧烈的温度变化,它们在低温及适温(moderate temperature)条件下的生长能力使得它们在生态学方面比嗜温菌(mesophiles)更有优势,这可能就是它们能够广泛分布的原因[3]。

低温微生物对于低温自然环境中的物质循环、能量传递以及生物地球化学循环过程,起着十分重要的作用,从而在全球生态与环境系统中占据重要地位[4]。另外,生命起源于温度很低的海洋,有人认为对低温微生物的研究有助于增强人们对生命起源的认识,并对探索生命在地球及外太空极端环境中的可能性及适应机制有着重要的参考价值。对于低温微生物进行广泛研究,不仅有助于我们认识、了解微生物在低温生态与环境、生命起源与进化、生物适冷机制等基础科学方面的意义和作用,同时也可以为其在新型生物活性物质筛选及生物工程应用等方面奠定前期基础。

1　微生物的低温适应能力

微生物对低温环境的适应能力,大大出乎人们的意料:生长在南极干燥峡谷地区多孔岩石晶体间的微生物,不但能够忍受南极夏季0～-15℃的低温,甚至在经历了南极冬季-60℃的极端温度后仍能存活[5];科研人员还在至少有42万a 历史的南极东方湖(Lake Vostok)3593m处的冰芯中分离出了活细菌[6]。人们通常将细胞水分的冰点作为生物维持生命活动现象的最低温度。纯水的冰点为0℃,而存在生命活动现象的冰点,可以比0℃更低:一种常见海洋硬骨鱼的冰点在-0.5～-0.9℃之间[7];通过14C2乙酸示踪技术,人们发现生活在西伯利亚永久冻土带土壤中的细菌,即使在-20℃条件下仍可检测到代谢活性的存在[8]。研究显示,生长培养基组分的变化可以改变菌株的最低生长温度[9]。

低温微生物的生长下限温度,是由细胞内外的稀水溶液的冷凝特性决定的,而不是由细胞大分子的化学特性决定的[10]。-20℃是细胞内冰晶形成开始出现的温度,同时伴随着溶质浓度的升高。二者都将对微生物的代谢造成严重后果并因此阻止生长[9]。在现有报道中,细菌的生长下

收稿日期:2003-08-11

作者简介:曾胤新　男,助理研究员,硕士。现从事低温微生物生理生化研究工作。

3国家自然科学基金资助项目(30200001,40006010);科技部社会公益研究专项资金项目(2001DIA50040-6)38

微生物学杂志2004年9月第24卷第5期　JOURNAL OF MICROBIOLO GY Sept.2004Vol.24No.5

限温度为-12℃,真菌及酵母可以低至-34℃[9]。通过合成抗冻糖蛋白或多肽,生物可以降低其体液或细胞水分的冰点。这些抗冻蛋白首先是在常年生活于约-1.9℃环境中的南极鱼类血清中被发现,后来又陆续在植物、昆虫、真菌及细菌中也发现了抗冻蛋白的存在。

2　国内外的低温微生物研究现状

进入20世纪90年代以后,低温微生物及其相关产物(如抗冻蛋白、低温酶类、多聚不饱和脂肪酸、十四酰CoA、色素、抗生素、抗肿瘤药物以及质粒等)的研究意义以及它们在现代生物工程中的潜在价值,逐渐为人们所认同并引起广泛关注,成为一个新的研究热点领域。有关低温微生物及其代谢产物在生物适冷机制、生命起源与进化、新菌种的收集鉴定与菌种系统发育分析、物质的生物地球化学循环与能量传递以及新型生物活性物质的研究开发等方面,已有大量研究论文及综述文章发表[11,12]。

目前在低温微生物研究领域,欧美及日本等一些传统生物技术大国,已开展了多年的研究,在国际上处于领先地位:美国对来自极地及海洋的嗜冷微生物在低温生存机制、生物工程潜在应用以及与天体生物学(astrobiology)的联系等方面开展了探索研究[13],并且在国际上首次完成了对1株北极耐冷细菌Col wellia psychrerythraea34H 的全基因组测序工作[14];加拿大科研人员对北极环境污染物(如链烷、甲苯、萘、多氯联苯等)降解细菌进行了大量研究[15];澳大利亚利用其毗邻南极大陆的地理优势,于1990年开始通过EMBAM (Ecology and molecular biology of Antarctic mi2 croorganisms)计划及后续的ACAM(Australian collection of Antarctic Microorganisms)活动,对包括适冷菌在内的南极及南大洋微生物资源进行了大规模的调查研究与收集保藏,不但在低温微生物的多样性和适冷机制、生物环境修复等方面开展了许多工作,还在新型药物筛选、低温酶类及多聚不饱和脂肪酸(PU FA,polyunsaturated fatty acids)的研究与开发应用方面进行了摸索[11];欧洲国家在1990～1994年第3个欧盟框架计划生物工程部分,对包括嗜冷微生物在内的极端微生物的研究投资超过4.5百万欧洲货币单位[16],并

在1996年启动的欧盟第4个框架计划中,设立了大规模、系统性的主要针对南极嗜冷微生物的“Coldzyme”研究项目,参与国家包括英国、比利时、德国、法国、瑞典、奥地利、意大利、荷兰、希腊等。他们在嗜冷酶的分子适冷机制、酶序列分析、酶分子定向诱变、酶基因克隆表达以及应用开发等方面开展了大量工作,现已取得1项低温β2半乳糖苷酶专利。另外,在低温微生物冷激蛋白(cold shock protein)、特殊基因调控系统、特殊膜成分以及不同的分泌机制等方面,欧洲也进行了重点研究。捷克、波兰等东欧国家,也各自开展了针对低温微生物的研究工作;亚洲的日本早在20世纪60年代就开展了针对南极适冷微生物的研究,进入90年代后,更是在微生物的适冷机制与低温酶学研究方面开展了大量工作,现已有2项低温蛋白酶专利,日本花王公司还提交了一系列应用于洗涤剂的低温蛋白酶的专利申请;另外,印度也注意到了研究南极低温微生物适冷机制的意义及其在工业中的应用可能性。

国内一些研究机构从20世纪90年代初开始了针对低温微生物资源(主要是南极及深海微生物)的初步收集、调查与研究工作。近5a来,随着国际上对低温微生物研究热度的逐步加强,以及国内科研人员对低温微生物及其产物在学术研究和生物工程中潜在价值的不断认识,中科院、国家海洋局及水产科学院下属的部分研究所及部分大学已经在低温微生物及其酶类(主要是低温蛋白酶、低温纤维素酶)、新型药物筛选以及低温菌株的分子鉴定与系统发育等方面开展了一些研究工作并取得了部分成果[17～19]。水产科学院黄海水产所已研制开发出主要应用于合成洗涤剂方面的海洋低温碱性蛋白酶和应用于医疗方面的低温溶菌酶产品。但就总体情况而言,国内对低温微生物的研究与开发力量还比较薄弱,研究范围较集中,研究深度也不够。这一状况还有待国内生物科技人员的共同努力来加以改善。

3　微生物低温适应机制研究

微生物对温度的适应,主要体现方式包括:用于能量转移与传导、胞内环境调节及新陈代谢调节的特殊机理;细胞膜、细胞壁结构性成分与功能性成分的稳定性;反应动力学;蛋白构象;酶功

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