嗜热微生物的研究进展及应用

嗜热微生物的研究进展及应用

宜春学院化学与生物工程学院03生物教育张志刚

指导老师：姜琼

摘要嗜热微生物是一类最适生长温度高于45︒C的微生物，嗜热酶是从嗜热微生物中分离得到的一类热稳定性酶，由于嗜热酶分子内部有很多氢键、二硫键及紧密而有韧性的空间结构的存在，所以嗜热酶在高温条件下具有很强的稳定性，高温反应活性，以及对有机溶剂、去污剂和变性剂的较强抗性，嗜热酶在许多方面都有广泛的应用。当前获得嗜热酶的方法主要有：直接从嗜热微生物中提取、利用基因工程技术在中温宿主中表达和利用定向分子进化技术筛选。目前酶的纯化主要采用层析法、高效液相色谱法和电泳法等方法。由于环境恶化,能源危机,全球变暖等原因, 嗜热酶的开发和应用将出现更加诱人的前景。

关键词嗜热微生物；嗜热酶；嗜热机制；应用

Thermophilic microorganism research progress and application

Zhang Zhigang College of Chemistry and Bioengineering, Bioengineering (Biology education), YiChun

University

Advisor: Jiang Qiong

Abstract Thermophilic microorganisms is a type of microorganisms that the most suitable growth temperature is above 45︒C,the thermophilic enzyme is a type of a thermostable enzyme separated from the thermophilic microorganism, because there is a lot of hydrogen keys and two-sulphur keys in the thermophilic enzyme molecule, so the thermophilic enzyme have a very strong stability in the hot condition, as well as there is a stronger fastness to organic solvent、eradicator and denaturant,the thermophilic enzyme have an extensive application in many fields.The method which obtained the thermophilic enzyme includes three kinds at present: distilled directly from the thermophilic microorganism, expressed in the mild host making use of a genetic engineering technique and sieved with the directional molecule evolution technique. At present the enzyme purification methods are:chromatography、HPLC and electrophoresis. Due to the cause of worsening environment, energy crisis,warmer weather, the development and application of the thermophilic enzyme will appear more captivating foreground.

Keywords Thermophilic microorganisms; Thermophilic enzyme; Thermophilic mechanism; Application

最适生长温度高于45︒C的微生物称为嗜热微生物，是在高温环境下生存的一类微生物，它们有其自己的适应机制和特定的新陈代谢能力，具有独特的基因类型、特殊的生理机制及代谢产物，是地球上的边缘生命形式。嗜热酶是从嗜热微生物中分离得到的一类热稳定性酶，具有化学催化剂无法比拟的优

点，尤其是在高温条件下保持极好的稳定性，使很多高温化学反应得以实现从而将极大的促进生物技术产业的发展。近年来，人们已从嗜热微生物中分离得到多种嗜热酶。今后，还应继续在嗜热酶的结构与功能、应用等方面作深入而全面的研究。本文主要对嗜热酶的研究进展及应用作一综述。

1 嗜热微生物的分类及其酶的种类和特点

1.1 嗜热微生物的分类

嗜热微生物是一类生长温度跨度在40～150℃之间的微生物,它可分为轻度嗜热(最适生长温度低于60℃)、中度嗜热(最适生长温度低于85℃) 和极度嗜热(最适生长温度大于85℃) ,主要分布于地热环境(海底温泉和陆地温泉) 和其它高温环境(如堆肥、厩肥、高温水处理厂)[1]。见诸报道的能产嗜热蛋白酶的嗜热微生物中,以芽孢杆菌最多。例如, Bacillus sp.MO21,B.sp.EA.1,B.thermoproteolyticus,B . licheniformis及B.circulans,B.sp.AK1,B.sp.B18,B.smithii,B.sp.BT1,B.sp.wai 21a,B.pumilus MK65,B.sp.JB299.此外,在真菌、古细菌、放线菌中也有过报道[2]。

1.2 嗜热酶的种类

嗜热酶有许多种，各种酶的作用各不相同，目前已开发的嗜热酶有：1）降解淀粉类的嗜热酶：极端耐热淀粉酶、热稳定的葡萄糖糖化酶(1,4-glucanohydrolase)、热稳定的支链淀粉酶(pullulanase)、热稳定的环糊精糖基转移酶(cycodextrin glycosytransferases,CGTase)；2）降解纤维素类物质的嗜热酶：热稳定性纤维素酶；3）热稳定的木聚糖酶(xylanases)；4）降解几丁质的热稳定性酶：热稳定的几丁质酶；5）降解蛋白质的热稳定性酶：热稳定的蛋白酶；6）葡萄糖异构酶(glucose isomersae)和木糖异构酶(xylose isomersae)；7）DNA聚合酶等[3]。

1.3 嗜热酶的特点

嗜热酶是一类主要来源于嗜热微生物的热稳定酶,能够在高温下长时间保持活性而不变性,其特点可概括为三点：1）作用的最佳温度高嗜热酶作用最佳温度大多数在60～80 ℃之间,但也有少数例外。例如,来自Bacillus sp. B18的嗜热蛋白酶,其作用最佳温度为85℃[4]；来自Thermoplasma acidophilum 的嗜热蛋白酶,其作用最佳温度为95℃[5]。最值得一提的是,来自Pseudomonas sp.的嗜热蛋白酶,其作用最佳温度为120℃[6]。2）具有良好的耐热性例如,由Bacillus sp.AK1产生的proteinase AKl在60℃、70℃时酶活性无变化,90℃时酶活性半衰期为19min[7]；由Thermoactinomyces sp. E79产生的嗜热蛋白酶在90℃时,酶活半衰期为10min[8]；由Thermus sp. Rt41A产生的嗜热蛋白酶在70℃时酶活半衰期为

24h[9]。3）具有良好的PH和热稳定性例如,由Thermoactinomyces sp. E79产生的嗜热蛋白酶,在pH5.0～12.0范围内,酶活相当稳定[8]；由Bacillus sp. B18产生的嗜热蛋白酶在pH5.0～12.0范围内,酶活也相当稳定[4]；Bacillus stearothermophilus HY269产生的嗜热蛋白酶在70℃、80℃时,pH稳定范围分别为pH6. 0～10.0、pH6.0～8.0[10]。

2 嗜热酶的热稳定机制

嗜热酶的耐热性主要是由其分子内部结构决定的。维持嗜热酶内部立体结构的化学键，主要是氢键、二硫键的存在及数量与其热稳定性有关。一般认为，当这些键存在及数量增加时，酶的热稳定性增强；这些键断开，则酶的热稳定性降低或丧失。嗜热酶分子的许多微妙构造很可能与其稳定性有关。这些包括：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。这些构造形成了嗜热酶紧密而有韧性的空间结构，从而提高其稳定性。

酶蛋白为适应热环境会发生结构改变，但每一种酶的热适应机制不尽相同。一些酶在高温条件下结构发生了重排，使一些空间短距离基团相互作用，堆积的结构更优化，内部空洞的数量和体积减少，在分子内部形成了一个疏水作用很强的疏水核，同时分子外部的极性表面积增加，所有这些都有利于增强嗜热酶的稳定性[11]。

3 嗜热酶的获得

3.1 直接从嗜热微生物中提取