極端環(huán)境下的古細(xì)菌

極端環(huán)境下的古細(xì)菌

可以在極端環(huán)境下生長的微生物被稱為端微生物和嗜極菌。極端環(huán)境指普通微生物不能生存的環(huán)境,如高溫、低溫、低pH、高pH、高鹽度、高輻射、含抗代謝物等的環(huán)境。研究極端微生物,有利于人們了解生命的本質(zhì),并控制、利用它們。近年來,對(duì)極端微生物的研究很多轉(zhuǎn)向大多為極端微生物的古細(xì)菌。目前,從古細(xì)菌的命名、分類到生活環(huán)境、生理結(jié)構(gòu)及適應(yīng)機(jī)制、應(yīng)用等方面,都有了很大的發(fā)展。本文主要結(jié)合古細(xì)菌介紹一下極端微生物的研究概況。1古細(xì)菌與真核生物的分離自七十年代發(fā)現(xiàn)古細(xì)菌并把它單獨(dú)列為一門以后,古細(xì)菌很快受到科學(xué)研究者的重視。最初根據(jù)其16sRNA(18aRNA)序列分列的分子進(jìn)化的研究,說明它既不同于真核生物也不同于真細(xì)菌,因其形態(tài)接近真細(xì)菌而命名為古細(xì)菌。實(shí)際上,古細(xì)菌并不比真細(xì)菌更為古老。根據(jù)對(duì)古細(xì)菌RNA的進(jìn)一步的研究,發(fā)現(xiàn)它們與真核生物的關(guān)系要比與真細(xì)菌的關(guān)系更為密切。古細(xì)菌與真核生物之間的分離,要比細(xì)菌與真核細(xì)菌從其他生活型的分枝晚150萬年左右。因此,為古細(xì)菌命名的沃斯(C.Woese),鑒于“古細(xì)菌”(Archaea)名稱容易帶來的混淆,已經(jīng)建議改稱之為Archaeotida現(xiàn)在許多人已經(jīng)接受了Bergy氏系統(tǒng)的分類法,將生物分為真核生物(Eucaria)、真細(xì)菌(Bacteria)、古細(xì)菌(Archaea)三個(gè)域。2極端微生物的性質(zhì)及其生理特征2.1溫度對(duì)一族古細(xì)菌的生長一般最適生長溫度在90℃以上的微生物,被稱做極端嗜熱菌。已發(fā)現(xiàn)的極端嗜熱菌有20多個(gè)屬,大多是古細(xì)菌,生活在深海火山噴口附近或其周圍區(qū)域。如斯坦福大學(xué)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的古細(xì)菌,最適生長溫度為100℃,80℃以下即失活;德國的斯梯特(K.Stetter)研究組在意大利海底發(fā)現(xiàn)的一族古細(xì)菌,能生活在110℃以上高溫中,最適生長溫度為98℃,降至84℃即停止生長;美國的巴羅斯(J.Baross)發(fā)現(xiàn)一些從火山噴口中分離出的細(xì)菌可以生活在250℃的環(huán)境中。嗜熱菌的營養(yǎng)范圍很廣,多為異養(yǎng)菌,其中許多能將硫氧化以取得能量。2.2長在火山區(qū)或含硫量過大地區(qū)的代謝產(chǎn)物一般指生活環(huán)境pH值在1以下的微生物,往往生長在火山區(qū)或含硫量極為豐富的地區(qū),多為古細(xì)菌,其體內(nèi)環(huán)境保持pH值7左右。能氧化硫,硫酸作為代謝產(chǎn)物排出體外。嗜酸菌往往也是嗜高溫菌。2.3嗜鹽菌及常見鹽液濃度是一類生活在高鹽度環(huán)境中的古細(xì)菌。從死海和死谷中都分離出了極端嗜鹽菌,我國也從新疆和內(nèi)蒙古的鹽堿湖中分離出一些極端嗜鹽菌。嗜鹽古細(xì)菌分為一科(嗜鹽菌科)六屬:嗜鹽桿菌屬、嗜鹽小盒菌屬、嗜鹽富饒菌屬、嗜鹽球菌屬、嗜鹽嗜堿桿菌屬、嗜鹽嗜堿球菌屬。一般生活在10%～30%的鹽液中。嗜鹽菌中,有人發(fā)現(xiàn)了一種呈四方形的古細(xì)菌。繁殖時(shí),先向一方延長,然后分裂成兩個(gè)四方形菌;再一起向另一方延長,進(jìn)而分裂成四個(gè)。2.4嗜堿菌生長ph值多數(shù)生活在鹽堿湖或堿湖、堿池中,生活環(huán)境pH值可達(dá)11.5以上,最適pH值8～10。我國科研工作者從內(nèi)蒙古堿湖中分離出一株嗜堿菌No.10-1,其生長pH值為8～13,最適pH值為10～11。好氣,桿狀,能運(yùn)動(dòng),G-,可生產(chǎn)堿性淀粉酶。2.5淡水魚類的生長環(huán)境好。在環(huán)境生長一般生活在深海底,能耐普通微生物不能忍耐的高壓。多數(shù)生長在0.7～0.8MPa的環(huán)境中,高的達(dá)1.04MPa以上,低于0.4～0.5MPa則不能生長。目前報(bào)道的最耐壓的是美國海洋學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一些種,能夠生長在1.3～1.4MPa環(huán)境中。日本科學(xué)家也在3000～6000m深的深海魚類腸道內(nèi)發(fā)現(xiàn)了極端嗜壓菌。多為古細(xì)菌。2.6生物的嗜冷性質(zhì)深海的極端嗜壓菌往往也是極端嗜冷菌。在真核生物中也有一些嗜冷的真菌和藻類,它們?cè)趦蓸O冰雪和高山雪坡上生長。極端嗜冷菌的最適生長溫度一般為-2℃以上,高于10℃則不能生長。3極端微生物和適應(yīng)機(jī)制3.1trna的增加其耐熱機(jī)制,一般是多種因子共同作用的結(jié)果。(1)膜的化學(xué)成分隨環(huán)境溫度的升高發(fā)生變化。如飽和脂肪酸含量升高,形成更多疏水鍵,增加了膜的穩(wěn)定性;耐熱古細(xì)菌膜上的雙層類脂發(fā)生結(jié)構(gòu)重排,如進(jìn)行共價(jià)交聯(lián),成為兩面都是親水基的單層脂,也可增加耐熱性。(2)重要代謝產(chǎn)物能迅速合成,tRNA的周轉(zhuǎn)率提高;DNA中,G、C的含量較高,促使生物體中的遺傳物質(zhì)更加穩(wěn)定;一些組蛋白也可增加DNA的耐熱性。(3)蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性提高。其天然結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)中的個(gè)別氨基酸的改變導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性的改變;二級(jí)結(jié)構(gòu)中包括稍長的螺旋結(jié)構(gòu),三股鏈組成的β?折疊結(jié)構(gòu),C末端和N末端氨基酸殘基間的離子作用以及較小的表面環(huán)等。這使其中的酶形成非常緊密而有韌性的結(jié)構(gòu),利于熱穩(wěn)定。(4)其他原因:如斯坦福大學(xué)發(fā)現(xiàn)的古細(xì)菌中的一種含鎢的酶(一般生物中的鎢沒有什么用),認(rèn)為它在耐高溫的古細(xì)菌的代謝中起關(guān)鍵性作用。3.2極端嗜酸菌一般認(rèn)為這種菌具有高度韌性的膜,膜對(duì)H+和OH-具有不透性;其泵功能很強(qiáng),所以能使菌體內(nèi)保持中性,并忍耐體外高酸濃度。3.3濃度對(duì)高na+濃度下底物和代謝產(chǎn)物的影響嗜鹽菌從細(xì)胞結(jié)構(gòu)到組成成分上,都有一些耐鹽的因素。(1)極端嗜鹽菌細(xì)胞膜上的紫膜含量在高鹽低氧的環(huán)境中,主要由以細(xì)菌視紫質(zhì)為代表的一類視紫醛蛋白組成。這是一個(gè)光驅(qū)“質(zhì)子泵”,可彌補(bǔ)高鹽濃度下底物有氧氧化所得能量的不足。(2)細(xì)胞壁成分特殊,不含肽聚糖而以脂蛋白為主。細(xì)胞壁的完整由離子鍵維持,高Na+濃度對(duì)其細(xì)胞壁蛋白質(zhì)亞單位之間的結(jié)合,保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性是必需的。(3)極端嗜鹽菌還積累或產(chǎn)生一些維持細(xì)胞內(nèi)外滲透壓平衡,又有助于細(xì)胞代謝活動(dòng)的相溶性物質(zhì),如積累K+,合成糖、氨基酸等。(4)這類菌體內(nèi)的酶也是嗜鹽性的,其產(chǎn)生、穩(wěn)定和發(fā)揮活性都需要高濃度鹽這一條件。與中性酶比較,發(fā)現(xiàn)極端嗜鹽菌中的酶所含的酸性氨基酸比率較高;尤其是在分子表面,從而形成一水保持層,阻止了酶分子的相互凝聚。其中的個(gè)別氨基酸的保守性也有助于其適應(yīng)高鹽環(huán)境。3.4涂膜保鮮的能量在該類菌中,Na+/H+反向載體可維持細(xì)胞質(zhì)pH處于正常范圍,從ATP獲得能量,對(duì)Na+有專一性,不斷向細(xì)胞外排出Na+,使細(xì)胞建立起一個(gè)向內(nèi)的ΔμN(yùn)a+,為細(xì)胞攝入溶質(zhì)提供能量;細(xì)胞膜上的Na+/溶質(zhì)同向載體利用ΔμN(yùn)a+,進(jìn)行氨基酸、有機(jī)酸和部分離子的主動(dòng)運(yùn)輸。而F0F1?ATPase直接利用呼吸鏈組分傳遞的高ΔμH+質(zhì)子,催化ATP的合成。3.5壓力對(duì)蛋白質(zhì)表達(dá)的影響極端嗜壓菌的DNA中有一組能調(diào)節(jié)壓力影響的基因。這些基因在高壓下表達(dá),并通過它們減少某些蛋白質(zhì)的產(chǎn)出率,以在壓力增加的條件下,可以減少膜的通道,從而阻止體內(nèi)的糖和基他營養(yǎng)成分?jǐn)U散到體外。3.6分子表面結(jié)構(gòu)有人研究了幾種極端嗜冷古細(xì)菌中的嗜冷酶,認(rèn)為這類酶中含有大量帶負(fù)電荷的氨基酸殘基,特別是天冬氨酸殘基;分子表面的極性環(huán)狀結(jié)構(gòu)呈伸展?fàn)顟B(tài);分子內(nèi)缺少離子間作用力與疏水作用。這使酶分子呈松散狀態(tài),具有較大的可變性,導(dǎo)致酶的熱穩(wěn)定性降低。而對(duì)一些耐寒海洋魚類的耐冷機(jī)制的研究中,發(fā)現(xiàn)其血清中的抗凍蛋白起很大的作用,這種抗凍蛋白在大腸桿菌中也可冷誘生成。4極端微生物的應(yīng)用4.1發(fā)酵活性酶taq-pcr(1)利用菌體發(fā)酵:由于高溫反應(yīng)的一些優(yōu)點(diǎn),加熱條件下的操作也較容易,有人用極端嗜熱菌生產(chǎn)乙醇。(2)利用菌體產(chǎn)生的酶:如用于PCR技術(shù)的TaqDNA聚合酶,是從嗜熱古細(xì)菌Thermusaquoticus中分離出來的。日本也將嗜熱蛋白酶固定化用于制造天冬甜精。還有人將嗜熱酶(如纖維素酶等)用于鉆探操作,促使石油或天然氣流入油井孔。(3)為基因工程菌提供特異性基因;如德國Hensel等表達(dá)了嗜熱古細(xì)菌的一個(gè)重組基因,表達(dá)產(chǎn)物的催化活性及穩(wěn)定性均與天然酶相同。4.2從食品加工生產(chǎn)(1)利用菌體發(fā)酵方面,可用以生產(chǎn)聚羥基丁酸(PHB)、胞外多糖類物質(zhì)(如EPS、PAVE)等多聚化合物,也有用來生產(chǎn)食用蛋白、食品添加劑、酶的保護(hù)劑和穩(wěn)定劑、表面活性劑、抗微生物化合物、類激素物質(zhì)、EPA等。也可用來除去工業(yè)廢水中的磷酸鹽、開發(fā)鹽堿地、開發(fā)能源等。(2)從利用嗜鹽酶看,有利用生產(chǎn)SOD、胞外核酸酶、胞外淀粉酶、胞外木聚糖酶等。(3)基因工程中,利用大腸桿菌產(chǎn)生嗜鹽性芽孢桿菌的胞外木聚糖酶已獲成功。此外,嗜鹽古細(xì)菌和真細(xì)菌中的質(zhì)粒都會(huì)有助于基因工程菌的研制。4.3從紡織品、淀粉及嗜堿菌至麻脫膠主要是應(yīng)用該類菌所產(chǎn)生的酶,如用耐堿蛋白酶和堿性纖維素酶作洗滌劑的添加成分,也可將堿性淀粉酶用于紡織品退漿及淀粉作粘接劑時(shí)的粘度調(diào)節(jié)劑等;用于皮革工業(yè)中的脫毛工藝以提高脫毛效率和質(zhì)量,利用嗜堿菌進(jìn)行苧麻脫膠。嗜堿菌中的基因可以用來調(diào)節(jié)其他細(xì)菌中基因產(chǎn)物的表達(dá)和分泌。已有人將嗜堿菌的纖維素酶、木聚糖酶、淀粉酶、環(huán)狀糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶、β?甘露聚糖酶等在中性細(xì)菌中加以克隆和表達(dá)。4.4合成epa和酶日本發(fā)現(xiàn)的深海魚類腸道內(nèi)的嗜壓古細(xì)菌,80%以上的菌株可以生產(chǎn)EPA和DHA,最高產(chǎn)量可達(dá)36%和24%。已經(jīng)有人通過基因重組,使這些菌有效生產(chǎn)DHA。另外,嗜壓菌還可以用于高壓生物反應(yīng)器。4.5極端嗜酸菌已用來脫除煤中的無機(jī)硫,處理含硫廢氣,改良土壤等。還有用于冶金,提取礦物等。4.6極端嗜冷菌國內(nèi)的應(yīng)用報(bào)道較少。國