极端微生物的特性及应用
极端微生物的研究及应用
极端微生物的研究及应用在自然界中，存在着一些绝大多数生物都无法生存的极端环境，诸如高温、低温、高酸、高碱、高盐、高毒、高渗、高压、干旱或高辐射强度等环境。
凡依赖于这些极端环境才能正常生长繁殖的微生物，称为嗜极菌或极端微生物。
由于它们在细胞内造、生理、生化、遗传和种系进化上的突出特性，不仅在基础理论研究上有着重要的意义，而且在实际应用上有着巨大的潜力。
1 嗜热微生物1.1 嗜热微生物的定义及分布嗜热微生物也被称为嗜热菌或者高温菌。
嗜热微生物主要分布于温泉、堆肥、煤堆、有机物堆、强烈太阳辐射加热的地面、地热区土壤以及陆地和海底火山口等高温环境。
1.2 嗜热微生物的分类嗜热微生物分为耐热菌、兼性嗜热菌、专性嗜热菌、极端嗜热菌、超嗜热菌，根据嗜热微生物对高温环境的耐受程度不同，学者们作如下的区分（表1）。
1.3 嗜热微生物的应用1.3.1 嗜热酶及超级嗜热酶嗜热酶（55～80 ℃）和超级嗜热酶（80～113 ℃）具有与普通化学催化剂不同的高催化效率、很强的底物专一性、在高温条件下稳定性良好等优点。
这些酶在食品工业、造纸工业、烟草业、石油开采、医药工业、环境保护、液体燃料的开采、能源利用等领域中具有广阔的应用前景。
1.3.2 抗生素嗜热微生物生活在高温环境中，能够产生多种特殊的代谢产物，其中有一部分是抗生素类，为目前抗生素的开发和生产提供了新的思路，有较大的应用前景。
1.3.3 嗜热微生物菌体及其它活性物质嗜热微生物菌体可直接用于工业生产，同时嗜热微生物在高温的条件下还会产生维生素等物质。
2 嗜冷微生物2.1 嗜冷微生物的定义嗜冷微生物是适应低温环境生活的一类极端微生物。
2.2 嗜冷微生物的分类嗜冷微生物分为专性嗜冷菌、兼性嗜冷菌、极端嗜冷菌、耐冷菌，根据嗜冷微生物对低温环境的耐受程度不同，学者们作如下的区分（表2）。
2.3 嗜冷微生物的应用2.3.1 环境保护方面通过嗜冷微生物产生的冷适应酶来实现低温下的污染物生物降解。
极端环境微生物的适应机制及利用
极端环境微生物的适应机制及利用摘要：极端环境微生物是指生活于极端环境中的微生物，它们定义了生命的边界。
对极端环境微生物适应机制的研究以及新的极端酶的发现，使得解决工业生产的苛刻条件与蛋白酶易变性的矛盾成为可能。
本文分别对嗜热菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜盐菌、嗜压菌 6 种极端微生物的适应机制和应用进行了总结。
关键词：极端微生物，适应机制，应用随着人类对生存家园地球乃至整个宇宙的探索开发，人们对原本被视为生命禁区内的生命 (极端环境微生物)产生了极大的好奇心。
极端环境微生物( extremophiles) 是指在一般生物无法生存的高温、低温、高酸、高碱、高盐、高压、高辐射、太空等异常环境中生存的微生物群体的统称[1]，例如嗜热菌( Thermophiles ) 、嗜冷菌( Psychrophiles ) 、嗜碱菌( Alkali- philes)、嗜酸菌( Acidophiles) 、嗜盐菌( Halophiles) 、嗜压菌( Piezophiles) 等。
由极端环境微生物适应极端环境所形成的特殊生理特性以及代谢产物，在基础研究、环境保护、食品化工及医学等多个领域中都有巨大应用潜力。
本文分别对嗜热菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜盐菌、嗜压菌 6 种极端微生物的适应机制和应用进行了简要概述。
1. 嗜热微生物一般把最适生长温度高于45 ℃的微生物称为嗜热微生物。
另外，还可根据它们的最适生长温度将其划分为嗜热微生物( 45℃ -60℃)、极端嗜热微生物( 60℃ -80℃)和超嗜热微生物( >80℃)。
目前发现的嗜热菌大都来自热泉、海底热液口、堆肥、火山等极端环境中，它们中大多数属于古细菌。
目前发现的生命最高生存温度为121-122 ℃ [2]。
1.1 适应机理嗜热微生物是如何适应高温而得以存活的呢？其适应机理主要包括以下几个方面：①蛋白质的热稳定性性提高。
超嗜热微生物的蛋白质的氨基酸组成与常温微生物并没有不同之处，超嗜热微生物蛋白质倾向于抵抗蛋白质的去折叠( unfolding) : 嗜热蛋白质具有拥有高度疏水的核心结构的趋势；蛋白质表面具有较多的电荷分布；蛋白质表面具有更多的离子键相互作用。
极端环境下微生物的研究及其应用
极端环境下微生物的研究及其应用随着科技的不断发展，人类对各种自然环境的认知也越来越深入。
其中，极端环境因为其独特性质和环境条件，成为了许多科学家们追求的研究对象。
众所周知，生物学中微生物是众多生物性质中最为微小的一类生物群体。
但是，这种微小生物却在极端环境中有着非同寻常的表现，许多微生物通过特殊的适应机制，适应了极端的环境条件，而且展示了根本性的生物学工程学价值。
本文将探讨极端环境下微生物的研究及其应用。
一、极限温度环境下微生物的研究极限温度环境，是指地球表面温度最高和最低的地方。
其中，极寒环境的温度极端低，造成了高海拔、沉积层、极地等很多生境中的高难度生物适应问题。
而这些地方恰恰是微生物的优选生境。
微生物可以生存于常人难以忍受的气温下。
科学家们通过对这些极端环境下的微生物进行研究，可以深入理解微生物适应极端温度环境的适应机制。
目前，极端温度环境下的微生物可以分为嗜温、嗜冷和介于两者之间的嗜中温微生物。
嗜温微生物可以在温度高达 121℃的高温中生存。
这些微生物能够抵抗高温所引起的蛋白变性和酶活性丧失的问题。
嗜冷微生物则可以在零下 20℃的温度下存活，适应低温结冰所造成的高度压力。
中温微生物则是介于两极之间。
通过对嗜冷、嗜温以及嗜中温微生物的研究，可以深入了解微生物如何适应不同温度环境，从而为开拓与调控温度敏感性生物中的新酶提供支持。
二、异烟肼耐药菌的研究异烟肼是治疗结核病的一种重要药物，但在临床常规使用过程中，异烟肼耐药菌及其产生的耐药问题将成为遗留病例的严重难题之一。
然而，我们发现，异烟肼耐药菌普遍存在于极端环境中，比如食盐浓度高的水体，污染严重的重金属污染区、高温、高压力的井下煤矿和岩浆、航天器等部分地区。
因此，对异烟肼耐药菌的研究可以提高其对于异烟肼的抗药能力以及微生物多样性的进一步认知。
目前我们已经发现了异烟肼耐药菌在极端环境中繁殖的适应机制。
异烟肼耐药菌的适应机制主要是通过对异烟肼分解酶基因的调节来抵抗异烟肼的作用。
极端环境下的微生物
• 主要有针丝藻、粘球藻、假单胞菌等。
• 红血现象：嗜冷水藻 血藻
• herminiimonas glaciei菌 这是在冰川下 方2英里处的冰层中发现的，它是迄今 为止的体积最小的微生物。
• 嗜冷菌：主要是细菌（嗜纤维菌，短杆 菌，弧菌：酵母菌：古细菌
• 嗜冷菌绝大多数是G-菌
• 耐冷菌：芽孢杆菌，节杆菌，假单胞菌
• （1）耐压菌，在1.013X10*5~4.053 X10*7Pa都能生长，超过
5.066X10*7Pa不生长
• （2）嗜压菌，在4.053X10*7Pa最适 生长
• （3）极端嗜压菌，不能在低于 4.053X10*7Pa压力下生长。
• 嗜压硫酸还原菌，积极的参与了海洋沉积物中 硫酸盐的还原作用，促进了硫元素的循环。
嗜酸菌：生长在酸性环境中的 微生物，是一种能在低pH条 件下生长和繁殖的极端环境微 生物
• 能生活在废煤堆及其排出的水、酸性温 泉、废铜矿、酸性土壤
• 嗜酸菌主要包括自养嗜酸菌和异养嗜酸 菌。
• 氧化硫硫杆菌在pH值低于0.5的环境中 仍能存活
嗜酸硫杆菌的煎蛋形菌落
专性自养嗜酸的氧化亚铁硫杆菌 （Thiobacillus ferrooxidans）能氧化 硫和铁，并产生硫酸
• 3、发酵工业中，可以利用其耐高温的特性， 提高反应温度，增大反应速度，减少中温型 杂菌污染的机会，极端嗜热菌生产乙醇。
• 4、嗜热菌可用于生产多种酶制剂，例如纤维 素酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、菊糖酶等
嗜冷菌：0°C以下或3-20°C能生长
• 生存在极地、深海、寒冷水体、冷冻土壤 等低温环境。
古菌，常见的主要有芽孢杆菌属， 链霉菌属，微球菌属，假单胞菌属， 酵母。
极端环境中微生物多样性及其在生物修复中的应用研究
极端环境中微生物多样性及其在生物修复中的应用研究自然界中存在着各种各样的生物，其中微生物是最为微小且最为丰富的一类生物，它们能够生存于极端环境中，具有良好的适应性和生存能力。
在极端环境中，微生物的多样性能够提供有价值的生物资源，而利用微生物在生物修复中的应用则是一项重要的研究方向。
一、极端环境中微生物的多样性1.极端环境的种类极端环境是指我们通常生活中很难想象的、具有极端条件的环境，如极寒、极热、高温高压、高辐射等。
这些环境都具有极高的物理化学条件和极端的生物学环境。
2.极端环境中微生物的多样性微生物在不同的环境中，会展现出不同的优势和适应性。
比如，极地、高原和漠区等极端环境中的微生物，具有重要的环境调节功能和生物学多样性。
这些微生物具有影响力的特点包括能够忍受低温、高盐等极端环境条件。
因此，这些微生物被广泛作为生物资源研究的重要对象。
二、微生物在生物修复中的应用研究1.生物修复的定义和意义生物修复是一种基于生物多样性的污染治理方法，它通过利用微生物、植物和动物等生物资源，将污染物转化为无害的物质，并恢复生态系统的生态功能。
生物修复具有环保、经济、可持续等优点，已成为当前环境治理工作的重要手段。
2.微生物在生物修复中的应用微生物在生物修复中起着举足轻重的作用。
它们能够降解污染物、修复受污染环境，同时还能够为其他生物提供营养和保护环境。
比如，废水处理工程中的微生物，能够将有机物质转化为无机物质，达到废水净化的目的。
在重金属污染环境中，微生物能够吸收重金属离子，防止它们进入到人体内。
3.微生物在生物修复中的应用案例微生物在生物修复中的应用具有广泛的应用场景。
欧洲有一项研究利用角蛤和细菌协同作用，将污染物降解转化为无害的物质，以达到生长环境恢复的目的。
在中国的陕西省，植物与细菌联合修复枯山水池水环境，使得COD、NH4+、NO3-等多种污染物有着较好的去除效果。
三、结论微生物的多样性在极端环境中具有重要的生物学和生态学价值，利用微生物在生物修复中的应用，已成为环境污染治理的重要手段之一。
极端环境中微生物的适应与生存
极端环境中微生物的适应与生存Introduction在地球上的各个角落，都存在一些极端环境，如高温、低温、高压、高盐、酸碱极端环境等。
人们往往认为这些环境对生命是致命的，然而神奇的微生物却能在这些极端环境下存活并繁衍。
本文将探讨微生物在极端环境中的适应与生存机制。
1. 高温环境中的微生物1.1 火山温泉中的热带菌火山温泉中的温度可以高达数百摄氏度，然而一些称为"热带菌"的微生物却能够在其中繁衍生存。
这些微生物通过产生特殊的热稳定酶来适应高温环境，用以保护自己的蛋白质不被变性。
此外，它们还借助细胞膜的固定结构以及DNA的高温稳定性等适应机制来生存。
1.2 深海黑烟团中的嗜热菌深海黑烟团是由于海洋热液喷口中喷出的高温矿物质与海水相结合而形成的，温度可高达300摄氏度以上。
在这种环境中，嗜热菌能够以高温为生，其适应机制主要包括生长酶和蛋白质的热稳定性升高、比表面积减小以防止蛋白质变性等。
2. 低温环境中的微生物2.1 极地冰川中的古菌极地冰川是地球上最寒冷的地方之一，它的温度常年低于零度。
在这样的环境中，一些古菌类微生物能够适应并生存下来。
它们通过调节膜脂的饱和度来保持细胞膜的流动性，并合成抗冻蛋白帮助细胞抵抗寒冷环境的影响。
2.2 海洋深层中的压力菌海洋深层的水压常常高达上百兆帕，而且温度普遍较低，然而压力菌却能够在这样的环境中存活。
它们利用良好的细胞壳结构和稳定的细胞膜来抵抗高压环境下的挤压力，并在生理代谢上进行相应调整以适应低温环境。
3. 高盐环境中的微生物3.1 盐湖中的嗜盐菌盐湖的盐度远高于海水，普通的生物很难在其中生存，然而嗜盐菌却能够适应高盐环境并茁壮成长。
它们通过积累高浓度的有机物质以维持细胞内渗透平衡，并产生抗氧化酶来抵御高盐环境中的氧化压力。
3.2 盐渍土壤中的耐盐细菌盐渍土壤的盐度较高，对于大多数植物和微生物而言都是不利的生长条件。
然而耐盐细菌通过调节细胞内钠离子浓度和维持细胞外环境的渗透性等方式来适应高盐环境，并具备一定的耐受力。
航天器组装环境中极端微生物的筛选与特性
航天器组装环境中极端微生物的筛选与特性航天器组装环境中极端微生物的筛选与特性【引言】航天器的组装是一个复杂而严谨的过程，需要高度干净、无菌的环境。
然而，在这个看似无生命存在的环境中，我们却发现了一些生物的存在。
这些生物被称为极端微生物，它们具有适应极端环境的能力，对于航天器的组装环境而言，它们可能具有一定的影响。
本文将对航天器组装环境中极端微生物的筛选与特性进行探讨。
【极端微生物的筛选】极端微生物是指生活在极端环境中的微生物，包括高温、高压、强辐射、低温等环境。
在航天器组装环境中，这些极端环境可能由于清洁度不高或设备故障导致。
为了筛选这些极端微生物，我们可以采取多种方法。
首先，可以通过对航天器组装环境中空气、表面等样本进行采集，并进行微生物培养和分离鉴定。
常用的方法包括培养基培养、PCR技术等。
通过这些方法，我们可以发现并鉴定出环境中存在的各种极端微生物。
其次，可以采用微生物学标记物的检测方法。
这种方法通过检测微生物在航天器组装环境中的代谢产物、酶活性、DNA/RNA等标记物，来间接判断环境中极端微生物的存在。
比如，我们可以检测航天器组装环境中的环境气味，通过检验其气味中特有的微生物产生的挥发性化合物，间接判断出是否存在极端微生物。
【极端微生物的特性】极端微生物具有适应极端环境的能力，对于航天器组装环境有以下几个特性：首先，极端微生物具有较强的耐受性。
比如，高温条件下，一些热带地区的微生物能够存活在60℃以上的温度下；低温条件下，有些微生物可以在零下15℃以下的环境中生存。
这些特性使得它们在航天器组装环境中可能不易被消灭。
其次，极端微生物对于营养需求较少。
在航天器组装环境中，营养物质可能相对较少，而极端微生物能够凭借其较低的营养需求而存活下来，从而可能对航天器组装过程产生一定的影响。
再次，极端微生物具有较强的适应性。
由于航天器组装过程中可能会存在辐射、气压等变化，这些极端微生物因其较强的适应性，可能具有一定的耐受能力，对航天器的组装环境产生一定的影响。
极端温度微生物生存机理及应用研究进展
极端温度微⽣物⽣存机理及应⽤研究进展极端温度微⽣物⽣存机理及应⽤研究进展李淼(中⼭⼤学⽣命科学学院⼴东)摘要：极端温度微⽣物是⽣物对极冷与极热环境适应的特殊种类，研究微⽣物对于极端温度环境的⽣存机理对探索⽣命的起源、微⽣物的育种及开发利⽤等具有重要意义。
本⽂⼤致介绍了嗜热微⽣物、嗜冷菌和耐冷菌的⽣物类群，阐述了微⽣物在⾯临极端环境温度的适应机理多样性，总结其在环境应⽤的研究进展。
最后旨在综合对⽐这两类极端微⽣物的⽣存机理和实际⽣产⽣活应⽤。
关键词：微⽣物；极端环境；⽣存机理；环境应⽤极端微⽣物(extreme microorganism)是指⼀般⽣物⽆法⽣存的极端环境中（⾼温、寒冷、⾼盐、⾼压、⾼辐射等）能够正常⽣存的微⽣物群体的统称。
⼀般把在⾼温环境中⽣长的微⽣物叫嗜热菌（thermophiles），包括⼀些细菌及古细菌。
他们⼴泛分布在草堆、厩肥、温泉、⽕⼭地及海底⽕⼭附近等处。
普通耐热菌的最⾼⽣长温度在45℃-55℃之间，低于30℃也能⽣长，⽽超嗜热菌最⾼⽣长温度可达80℃-110℃，最低⽣长温度也在55℃左右。
同时，在地球这个⼤⽣态系统中也存在着⼴泛的低温环境。
如占地球表⾯14%的两极地区及海洋深处（90%的海⽔其平均温度为5℃或更低）等[1]，在这些特殊环境中⽣活着⼀类微⽣物即低温微⽣物（halophilic microorganism）。
极端⾼温与极端低温环境都会对⽣物膜结构以及蛋⽩质结构造成巨⼤的影响。
了解⾼温微⽣物与低温微⽣物的⽣存机理，有助于⼈们开展深⼀层次的蛋⽩与膜分⼦结构研究。
本⽂在⽬前已有的研究基础上，就⾼温微⽣物与低温微⽣物的⽣存机理以及在环境应⽤的最新进展做⼀简要对⽐综述，为进⼀步研究提供参考。
1 ⾼温微⽣物概述通常把最适⽣长温度⾼于45℃的微⽣物称为嗜热菌。
嗜热菌并⾮单⼀的菌属或菌群，其中有些嗜热细菌，其同届菌中皆为嗜热菌，如红⾊嗜热杆菌（Rhodothermus）、嗜热好氧杆菌（Thermoaerobium）、嗜热厌氧杆菌（Thermoanaerobaeterium）、球杆菌（Sphaembaeter）等，也有⾼温菌及中温菌并存的菌属，如芽孢杆菌、奇异球菌（Deincooccus）、假黄⾊单胞菌（Pseudoxanthomonas）等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
3.嗜热微生物嗜热微生物按照耐热程度的不同可以分为五个不同类型：耐热微生物、兼性嗜热微生物、专性嗜热微生物、极端嗜热微生物和超嗜热微生物。
耐热微生物最高生长温度在45-55℃之间，低于30℃也能生长。
兼性嗜热微生物的最高生长温度在50。
65℃之间，也能在低于30℃条件下生长。
专嗜热微生物最适生长温度在65-70℃，不能在低于40。
42℃条件下生长。
极端嗜热微生物最高生长温度高于70℃，最适生长温度高于65℃，最低生长温度高于40℃。
超嗜热微生物的最适生长温度在80-110℃，最低生长温度在55℃左右。
大部分超嗜热微生物是古生菌，但真细菌中的海栖热袍菌也属于超嗜热微生物。
嗜热微生物生长的生态环境有深海火山喷口附近、热泉、高强度太阳辐射的土壤、岩石表面和各种堆肥等。
嗜热微生物在基因工程、蛋白质工程、发酵工程及矿产资源的开发利用上均有很重大的利用价值。
3.1 嗜热微生物细胞膜的组分及其耐热机制嗜热菌细胞膜的脂双分子层中有很多结构特殊的复合类脂,主要是甘油脂肪酰二酯。
随着温度的升高,复合类脂中烷基链彼此间隔扩大,而极性部分作为膜的双层结构则保持整齐状态—液晶态。
嗜热菌的细胞膜通常通过调节磷脂组分而维持膜的液晶态,以获得更高的熔点。
嗜热菌的细胞膜中含有异型脂肪酸、稳定型脂肪酸和环烷型脂肪酸,而无不稳定的不饱和型脂肪酸。
增加磷脂酰烷基链的长度,增加异构化支链的比率,或是增加脂肪酸饱和度都可维持膜的液晶态,从而使嗜热菌的细胞膜耐受高温。
3.2嗜热菌蛋白和嗜热酶的耐热机制决定嗜热菌耐热性的主要机制是蛋白质的热稳定性,在80℃以上环境中能发挥功能的酶称为嗜热酶。
嗜热酶对不可逆的变性有抗性,并且在高温下(60℃-120℃)具有最佳活性,有的酶甚至在超过140℃时也能稳定一个小时以上,这样的酶在工业生产中有很大的利用价值。
那么,嗜热酶在高温环境中是如何保持其稳定性的呢?3.2.1氨基酸组成与热稳定性蛋白质的氨基酸组成一直被认为与热稳定性有关,但嗜热酶中并不存在与高温下酶活性有关的新氨基酸。
一般认为由于Ala易于螺旋结构的形成,因此嗜热酶中常发生Gly →Ala的取代;Pro由于其结构熵比其他氨基酸小而更易折叠,且一旦折叠则需要很高的能量才能解折叠,这样在不影响其高级结构的前提下,Pro的替代可以提高整个蛋白质分子的热稳定性。
带电氨基酸如Arg、Asp、His、Glu和Lys由于静电相互作用对蛋白质的构象稳定具有重要作用。
Arg的几个性质表明其能更好地适应高温环境:Arg比带同样电荷的氨基酸有更大的侧链,侧链所提供的疏水作用及离子间相互作用有助于提高蛋白质的热稳定性;Arg的δ-胍基比Lys的氨基提供了更大的表面积,有利于电荷之间的相互作用。
Arg的pKa(约为12)比Lys的pKa(11.1)高了1个单位,Arg在高温下容易保持离子对和净的正电荷(温度升高pKa下降)。
因此嗜热酶中Arg出现的频率较高。
在α-螺旋中,具有β支链的氨基酸(Val、Ile、Thr)产生较大的构象张力而不利于螺旋的稳定,所以这些不稳定氨基酸在嗜热酶中出现的频率较低。
已知Asn和Gln是热敏感的氨基酸,因为它们在高温下容易脱氨,因此嗜热蛋白中Asn和Gln出现的频率较低[6]。
3.2.2氢键氢键不仅发生在多肽链分子内部或分子之间,也可以发生在肽链分子和周围的亲水基质之间。
Vogt等证明蛋白质的热稳定性和氢键的数量呈正相关。
Suvd等比较了BLA(B.licheniform is a2amylase)和BSTA(B.stearotherm ophilua2amylase)(BLA比BSTA的热稳定性好)的结构,发现BSTA中少了9个氢键,需要多耗费1kcal/mol的能量才能使其稳定。
Eijsink等发现来自B.stearothermophilus的中性蛋白酶如果Ala170被Ser所替代其热稳定性增加了0.7℃因为Ser170可参与内部一个氢键的形成。
Tanne等观察到32磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)的热稳定性和带电基团中性基团之间形成的氢键数量呈正相关,并指出这些氢键比盐桥和中性基团之间形成的氢键更有利, Shirley研究了氢键对RNase T1稳定性的影响。
RNase T1含有8个氢键,氢键的平均长度为2.95。
这些氢键能为RNase T1构象的稳定提供110kcal/mol 的能量,个别的氢键可以提供1.3kcal/mol的能量。