极端温度微生物生存机理及应用研究进展
极端微生物对极端环境的适应机理及应用研究进展
极端微生物对极端环境的适应机理及应用研究进展作者：孟素香曹健来源：《现代农业科技》2014年第09期摘要极端微生物在极端环境中生长繁殖，其必然有适应恶劣环境下的特殊细胞结构、生理机制、遗传基因等。
对近几年的六大类极端微生物在分类、生存机制和应用方面的最新研究进展进行综述，为极端微生物菌种资源利用及代谢产物开发提供了一些理论依据。
关键词极端微生物；极端环境；适应机理；应用中图分类号 Q939.9 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）09-0249-02Research Progress of Adaptation Mechanism and Application of Extreme Microbes Toward Extreme EnvironmentMENG Su-xiang 1 CAO Jian 1，2 *（1 School of Bioengineering，Henan University of Technology，Zhengzhou Henan 450001；2 Zhongyuan University of Technology）Abstract Extreme microbes grow in the extreme environments，so they must own special cell structure，physiological mechanism and gene etc.In this paper，the latest studies on the survival mechanism，classification and application of six kinds of extreme microbes were reviewed，which can provide some theoretical basis for utilization and metabolites exploitation of extreme microbes strains resource.Key words extreme microbes；extreme environment；adaptation mechanism；application极端微生物是指生长在极端环境下，并依赖这些极端环境中的一种或几种极端因子生长的微生物的总称，包括嗜热、嗜冷、嗜盐、嗜酸、嗜碱、嗜压等多种类型的微生物。
极端环境下微生物的适应机制
极端环境下微生物的适应机制在地球上，存在着许多极端环境，比如高温、低温、高压、低压、强酸、强碱、高盐等。
在这些极端环境下，生物往往面临着极大的生存压力。
令人惊讶的是，一些微生物却能够在这些极端环境中存活并繁衍，甚至将这些极端环境作为自己的优势所在。
这些微生物是如何在极端环境中适应的呢？本文将对此进行探讨。
1. 高温环境下的微生物适应机制高温环境下，微生物需要应对高温所带来的蛋白质变性、细胞膜的液晶相结构破坏等问题。
一些高温环境下的微生物通过产生热稳定的蛋白质来应对高温蛋白质的变性，保护细胞内的酶和结构蛋白不受高温影响。
它们还通过改变细胞膜脂质成分和结构，增强细胞膜的热稳定性来适应高温环境。
以古菌为例，古菌是一类可以生存于高温环境的微生物，它们通过产生热稳定的蛋白质来抵御高温的影响。
古菌的核酸含量较高，蛋白质结构较为紧凑，能够耐受高温条件的影响。
古菌的细胞膜结构独特，富含强化细胞膜的类固醇、二酸单酰甘油酯等成分，使其在高温环境下依然能够保持细胞膜的完整性和功能。
低温环境下，微生物需要应对细胞膜的流动性减弱、蛋白质的折叠难以进行等问题。
一些低温环境下的微生物通过产生富含不饱和脂肪酸的细胞膜来增加细胞膜的流动性，使得细胞在低温环境下仍能够维持正常的生理功能。
它们还通过产生低温下可折叠的酶和蛋白质，使得细胞在低温环境下依然能够进行正常的新陈代谢活动。
以嗜盐细菌为例，嗜盐细菌是一类可以在高盐环境下生长的微生物，它们通过产生富含有机溶质的细胞内环境来应对高盐环境的影响。
嗜盐细菌可以合成并积累大量的有机溶质，比如甘油、丙三醇等，使得细胞内外的水分平衡得以保持。
嗜盐细菌的细胞膜脂质成分和细胞壁的组成也与一般细菌有所不同，这使得它们对高盐环境的耐受性更强。
极端环境下的微生物能够通过改变细胞膜的结构和成分、调控细胞内有机溶质的含量、产生特殊的酶和蛋白质等方式来适应极端环境的生存压力。
这些微生物的适应机制不仅对我们深入了解微生物的生存方式和生物多样性具有重要意义，也对我们在实际应用中利用这些微生物解决问题具有一定的启示意义。
高温环境下极端嗜热微生物的生存机制研究
高温环境下极端嗜热微生物的生存机制研究极端嗜热微生物是一类能够在高温环境下生存和繁殖的微生物。
它们对于高温环境具有强大的适应能力，这种适应能力是由它们独特的生存机制所决定的。
本文将探讨极端嗜热微生物在高温环境下的生存机制，并剖析其适应能力的形成原因。
一、热稳定蛋白的合成与功能极端嗜热微生物为了在高温环境下生存，首先需要能够保护自身的蛋白质免受热变性的影响。
为了应对高温环境的挑战，这类微生物会合成一种称为热稳定蛋白的特殊蛋白质。
热稳定蛋白具有较高的热稳定性，能够在高温下保持其空间构象的稳定性，从而保护蛋白质的功能完整性。
二、细胞膜的适应性变化在高温环境下，细胞膜的稳定性是极端嗜热微生物生存的关键。
为了适应高温环境，这类微生物会改变细胞膜的成分和结构。
它们会合成更多的饱和脂肪酸，提高细胞膜的热稳定性。
此外，极端嗜热微生物的细胞膜中还存在一种称为双酰链醇鞘脂的特殊脂质，它能够增加细胞膜的流动性和稳定性，从而适应高温环境的要求。
三、热激酶的活性调节热激酶是一类能够被高温激活的酶。
在高温环境下，极端嗜热微生物会通过调节热激酶的活性来适应高温的压力。
热激酶可以参与多种信号传导途径，影响细胞的生理功能。
通过调节热激酶的活性，极端嗜热微生物能够改变细胞的代谢过程和生物合成路径，从而适应高温环境的要求。
四、DNA保护系统的运作在高温环境下，生物的DNA会面临变性和降解的风险。
为了保护DNA的完整性，极端嗜热微生物拥有一套完善的DNA保护系统。
这套系统包括特殊的DNA结合蛋白和DNA修复酶等组成，能够及时修复受损的DNA，保护基因组的稳定性和完整性。
五、热激休眠的应对策略在极端高温的环境下，极端嗜热微生物常常会进入一种称为热激休眠的状态。
热激休眠是一种细胞的自我保护机制，可以帮助微生物暂时抵御高温对生物体的伤害。
在休眠状态下，细胞的新陈代谢减缓，并且通过合成特定的保护蛋白来维持重要的细胞结构和功能。
综上所述，极端嗜热微生物在高温环境下能够存活和繁殖的生存机制是多方面的。
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。
极端环境下微生物的适应机制
极端环境下微生物的适应机制极端环境是指存在于地球上最恶劣、最具挑战性的地区和条件，如深海、高温、低温、高压、高辐射、酸碱性极端等。
在这些极端环境中，微生物为了生存和繁殖，通过适应性进化发展了一系列的适应机制。
对于高温环境，一些微生物通过产生热耐受蛋白质来保护自身。
这些热耐受蛋白质具有特殊的结构和功能，可以稳定和保护微生物内部的蛋白质和酶，增强其在高温环境中的活性和稳定性。
对于低温环境，一些微生物通过改变其膜脂的组成来适应寒冷条件。
低温下，细胞膜的流动性降低，导致细胞功能受到限制。
为了克服这个问题，一些微生物增加了膜上的不饱和脂肪酸含量，使得细胞膜更加流动，从而增强了微生物在低温环境中的生存能力。
对于高压环境，一些微生物通过调节细胞内的压力来维持细胞的稳定。
这些微生物具有特殊的酶和膜蛋白，可以适应高压环境下的生长。
其中一个例子是深海微生物，它们具有高度压力适应性，可以在高压环境下繁殖，并且能够在压力减小的情况下快速适应并继续生长。
对于酸碱性极端环境，一些微生物可以通过产生酸碱中和酶来调节细胞内的pH值。
这些酶可以将酸碱性物质转化为相对中性的物质，从而维持微生物细胞内的稳定环境。
一些微生物通过形成休眠细胞或耐久体的方式适应极端环境。
当环境恶化时，微生物可以通过形成休眠细胞或耐久体，在恶劣条件下存活并等待适合的环境条件再次生长和繁殖。
微生物在极端环境下的适应机制是多样的。
它们通过改变细胞内的代谢途径、产生特殊的蛋白质和酶、调节细胞内压力和pH值等方式，提高自身的适应能力，从而在极端环境中生存和繁殖。
这些适应机制为我们了解生命的极限和生命起源提供了重要的研究方向。
极端环境中微生物的生态适应机制研究
极端环境中微生物的生态适应机制研究随着人类对于自然资源的不断开发和利用，地球上数量越来越多的环境变得越来越极端。
这些极端环境包括极地、高山、火山、沙漠、海底等，非常不适宜生命存在。
然而，适应能力强的微生物却能在这些环境中生存和繁殖。
微生物在这些环境中展现出来的生态适应机制备受研究者的关注。
在极端环境中，温度、压力、辐射、盐度等物理和化学因素都极端恶劣。
不过，微生物通过各种适应措施，在这些环境中找到自己的生存之道。
一、温度在极地地区，生物在低温环境中能够生存是一个众所周知的事实。
然而，真核生物在低温下生存能力较差，大多数的生物在0℃以下无法生存。
不过，一些细菌和古菌却能在这种恶劣的环境中生存。
这些微生物利用一些特别的机制，包括抗冻蛋白、低温表达酶等，从而适应极低温环境。
另外，在热水喷泉、深海热泉等热力学环境中生存的微生物，在高温下同样拥有适应机制。
这些微生物生物体内含有热稳定蛋白（heat-stable proteins），可提高蛋白质稳定性，以适应高温环境。
二、压力深海、高山等极端环境中，高压环境是另一个挑战。
一些微生物在这种环境下生存，需要调节菌体内的压力平衡，以适应高压环境。
一些细菌利用鞭毛马达、荷兰帽、柿球等机制，使自己的外壳呈现平衡状态；另外，一些细菌通过调节膜脂来保持细胞膜的流动性，以适应高压环境。
三、辐射辐射环境是一个危险的环境，但是在一些自然环境中，生物必须适应辐射生存。
一些微生物在受到辐射后，自身通过修复DNA或者产生抗氧化分子来保护自己。
这些适应措施可以有效地降低辐射对微生物造成的伤害。
四、盐度在解析极端环境中微生物的生态适应机制时，盐度问题不容忽视。
在盐湖、海洋、咸水湖等盐度高的环境中，适应高盐度的微生物会产生一定的压力感知机制和离子调控机制。
一些微生物通过在胞内累积高浓度的离子（如钠）来确保细胞的正常运作。
研究人员发现在微生物菌体表面或内部，有些特殊的分子能够吸收水分，从而在高盐度环境中保持胞内湿度。
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。
极端环境下微生物的适应机制
极端环境下微生物的适应机制极端环境是指地球上一些极端恶劣的环境条件，如高温、低温、高压、低压、强辐射、高盐、酸碱等。
在这些极端环境下，常规生物难以生存，而一些特殊的微生物却能在其中繁衍生息，并且采用了一系列适应机制来应对这些极端环境的挑战。
在极端高温或低温环境中，微生物会调节细胞膜的脂质组成以提高膜的稳定性。
高温环境下的细菌会合成更多的饱和脂肪酸，增加膜的稳定性；而低温环境下的微生物会合成更多的不饱和脂肪酸，以增加膜的流动性。
一些极端温度环境下的微生物还会产生热休克蛋白，可以缓解蛋白质的变性和降解，确保细胞内的正常代谢。
在极端高压或低压环境中，微生物会通过改变细胞壁的结构和成分来增加细胞的稳定性。
高压环境下的微生物会增加细胞壁的硬度和厚度，降低细胞内部的渗透压，以避免蛋白质和核酸的变性；而低压环境下的微生物则会减少细胞壁中的脂质含量，并通过改变细胞膜蛋白的结构来提高细胞的透气性。
在极端辐射环境中，微生物会通过修复和保护DNA来应对辐射的损伤。
微生物可以利用一些特殊的DNA修复系统来修复DNA的单链断裂、链间交联以及碱基损伤等，以维持基因组的完整性。
微生物还可以产生和积累一些具有辐射抵抗能力的物质，如放射性降解酶和抗氧化剂等，来降低辐射对细胞的损伤程度。
在极端高盐或酸碱环境中，微生物会调节细胞内外的渗透压以维持细胞的稳定性。
高盐环境下的微生物可以积累细胞内的有机溶质，如甘露醇和甘油等，来降低细胞内部的盐浓度，同时合成特殊的盐逆境蛋白，以保持细胞膜的完整性和功能。
而在酸碱环境下，微生物会通过调节细胞内外的pH值，合成有机酸和氨基化合物等来缓冲酸碱环境所造成的损伤。
微生物在面对极端环境时，通过调节细胞膜、细胞壁的结构和成分，修复和保护DNA，调节渗透压以及合成特殊的蛋白质等适应机制，来应对极端环境带来的挑战，并在这些极端环境下存活繁衍。
这些机制有助于我们深入了解微生物的多样性和生存能力，也为开发新的技术和应用提供了启示。
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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。
嗜热菌按其生长的耐热程度不同可分为5类（表1）[2]。
目前，对嗜热菌的耐热性主要从细胞壁的结构、类脂的敏感性、DNA结构的稳定性以及蛋白质的热稳定性等方面进行研究。
表1 嗜热菌的分类/℃Tab.1 The classification of thermophiles /℃分类最适生长温度最高生长温度最低生长温度耐热菌 45-55 <30 碱性嗜热菌 50-65 <30专性嗜热菌 65-70 >40-42 极端嗜热菌 >65 >70 >40 超嗜热菌 80-110 55左右2 低温微生物概述根据低温微生物的生长温度特性可细分为两类： 2.1 嗜冷菌嗜冷菌（psychrophiles ）是指生活在低温下且其最高生长温度不超过20℃，最适宜温度在15℃，在0℃可生长繁殖的微生物。
嗜冷菌绝大多数为G + ，已鉴定的嗜冷菌属于假单胞菌、弧菌、无色杆菌、黄杆菌、嗜纤维菌和螺菌等。
G + 比G - 菌出现的频率小得多，厌氧菌也少，少数嗜冷芽孢梭菌不仅存在于自然界，也存在于冷藏食品和酸奶中[3]。
嗜冷菌主要分布于常冷的环境如南北两极地区、高山、冰川、冰窟、冷库、深海和土壤等低温环境中。
嗜冷菌的分布受环境温度限制且数量少。
嗜冷菌对温度的变化很敏感，20℃以上很快引起死亡。
2.2 耐冷菌耐冷菌（psych-rotrophs ）的最高生长温度高于20℃，最适温度高于15℃，在0-5℃可生长繁殖。
耐冷菌相对于嗜冷菌，可以再较宽的温度范围内生长，从常冷到不稳定的低温环境中均可分离到。
但若在底物丰富的条件下，嗜冷菌在0℃的生长会超过耐冷菌。
低温微生物具有广泛的微生物区系，已发现的低温微生物既有真菌、蓝细菌、又有酵母菌、真菌和藻类[4]。
3 适应生存机制极端高温和极端低温环境都会给细胞带来巨大的生存挑战。
高温微生物与低温微生物在长期生物进化过程中形成了一系列适应高温、低温的机制。
这些机制在营养物质的吸收和转运、DNA 的复制合成、蛋白质的合成等方面有着独特的生物学意义。
3.1 膜机制典型的生物膜由脂质双层及膜蛋白组成。
细胞膜具有液体样的物理特征，即流动性。
随着环境温度的变化可表现为流动相或凝胶相。
低于相变温度（Tc ）时，细胞膜表现为凝胶相；高于Tc 时，表现为流动相。
3.1.1 细胞膜耐受高温保持生物膜的生物活性关键在于维持膜的流动相。
嗜热菌的细胞膜外有多个隐窝，这有利于耐高温。
嗜热菌的细胞膜磷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。
重要的是，嗜热菌的细胞膜中含有饱和脂肪酸的比例比不饱和脂肪酸大。
增加磷脂烷基链的长度、增加异构化支链的比率或者增加脂肪酸饱和度都可维持膜的液晶态，从而使嗜热菌耐受高温。
3.1.2 细胞膜耐受低温 当温度降低时，许多生物通过改变膜磷脂碳氢链的饱和度来代偿膜由液晶态到凝胶态的过渡，这类反应称为同态粘性反应（homeoviscous adaptation ）。
低温微生物在低温环境中饱和脂肪酸转变为不饱和态，温度降低导致杆菌属膜上去饱和酶合成增加，同时酶的稳定性提高。
当嗜冷菌处于低于最适生长温度的环境时，不饱和脂肪酸量增加[5]。
所有这些变化都是为了提高脂类互溶性，从而使膜的稳定性提高。
3.2 休克蛋白机制温度改变对于从细菌到哺乳动物所有生物来讲是最常见的应激。
现在已对热休克反应和冷休克反应进行了较深入的研究。
通过研究热休克蛋白与冷休克蛋白的结构与功能可揭示新的基因表达调控的方式。
高温时，热休克主要涉及细胞中蛋白质的变性，使之在合成时不能正确折叠。
为了克服这一问题，生物体通过热诱导产生热休克蛋白（Heat Shock Proteins, Hsp ）作为分子伴侣，帮助蛋白质正确折叠。
冷休克反应是生物体在低温时产生冷休克蛋白（Cold Shock Protein,Csp ）的适应性过程。
Csp 家族首先在大肠杆菌中被Jores 等人发现，随后又在枯草杆菌中发现不同数目被诱导出的蛋白质[6]。
现已在许多原核生物和真核生物中发现冷休克蛋白的诱导合成[7]。
有4种微生物冷休克蛋白的空间结构已经确定。
Csps作为转录激活因子，mRNA 伴侣，抗冻蛋白（anti-freeze Protein）等参与转率、翻译、影响mRNA功能等[8]。
冷休克蛋白对于细胞在低温生长是必须的，其具有结合DNA或RNA的功能，能在其他蛋白质合成被完全阻断时候有效转录翻译。
这主要是由于冷休克蛋白mRNA都含有一个下游盒，在低温条件下能增强翻译起始。
3.3 酶机制极端温度下微生物若要保证酶的生物活性，则要特异性的保护蛋白质的结构不受到高温或者低温的破坏。
高温微生物着重于稳定蛋白质的极端刚性结构，保护蛋白质空间构象不至于由于热运动的搅动而破坏。
低温微生物则降低了蛋白质稳定性，增加了柔顺性，保证了酶的高催化效率。
3.3.1 高温酶研究表明在嗜热菌蛋白质的一级结构中，个别氨基酸的改变会引起离子键、氢键和疏水作用的变化，从而大大增加整体的热稳定性，这就是氨基酸的突变适应[9]。
例如：通过对来自Bacillus stearothermophilus 的热稳定的3-甘油醛脱氢酶（GPDH-ST）与来自Bacillus coagulans的热不稳定的3-甘油脱氢酶（GPDH-CO）进行对比发现，由于GPDH-ST的丙氨酸被GPDH-CO的脯氨酸所替代，结果使其一级结构更易折叠，而且不易解开，从而提高了酶蛋白的热稳定性[10]。
与常温菌相比，嗜热菌的蛋白在大小、亚基结构、螺旋程度、极性大小和活性中心都极为类似，但构成蛋白质高级结构的非共价力、结构域的包装、亚基与辅基的聚集，以及糖基化作用、磷酸化作用等却不尽相同。
这说明，嗜热菌通过这些微妙空间相互作用来稳定自己的蛋白质。
3.3.2 低温酶现在普遍认为，低温酶通过特定区域或整个蛋白结构柔顺性的提高，降低了自身的活化能，才能在低温下表现出高催化效率。
当然同时这也导致酶的稳定性下降。
与同类型嗜温、嗜热酶相比，低温酶普遍表现出低温条件下（0-30℃）催化活力高、酶的最适作用温度低、酶的热稳定性差等特征。
低温丝氨酸碱性蛋白酶在5-15℃时，酶活力比中温酶高5倍，活化能更低，但稳定性远不如中温酶[11]。
低温酶的主要适应特性，就是其在低温下的高周转率（Kcat）和高催化效率（Kcat /Km）。
它们可以弥补低温导致化学反应速率降低而带来的影响，为生物提供足够的代谢活力并维持足够的代谢通量[12]。
4 应用进展4.1 高温微生物嗜热酶具有化学催化剂无法比拟的优点，如催化效率高和底物专一性强，而且酶在高温条件下的稳定性极好。
因而它可以克服中温酶（20℃-55℃）及低温酶（-2℃-20℃）在应用过程中常常出现的生物学性质不稳定现象，从而使很多高温化学反应过程得以实现。
4.1.1 嗜热酶PCR应用嗜热酶在商业上应用最为广泛的就是把嗜热细菌Thermus aquatics（水生栖热菌）的耐热DNA聚合酶“Taq”用于多聚酶链式反应（PCR，DNA Polymerase Chain Reaction）中，由于耐热“Taq”酶的使用，才是PCR 的专一性、收得率、灵敏度、DNA片段长度、复制的忠实性、操作简便性和自动化程度有了明显的提高[13]。
使该反应在科学研究和医疗等实际领域的应用中实现了新的飞跃。
4.1.2 有机高温废水处理目前许多工业废水（大多数油田采油废水、焦化厂废水、食品加工厂废水、制药工业废水以及屠宰场废水等）的温度都超过了45℃，而传统生化废水处理所用的嗜温菌（25℃-40℃）不能直接用于处理高温废水。
为了确保生化池中微生物的活性，高效降解废水中的有害物质，废水必须进入冷却塔冷却。
而由于易腐蚀等原因，强制冷却成本较高。
但嗜热菌能够直接处理高温废水，节省冷却设备费用。
同时，由于嗜热菌代谢速度快，大约是中温过程的3-10倍[14]，从而缩短了废水处理的时间，提高了废水处理效率。
此外，污泥产量少，也减少了污泥处置费用。
4.1.3 食品工业方面由于常温条件下进行食品加工过程反应容易造成食品污染，所以很难用普通的中温酶来催化完成。
嗜热性蛋白酶、淀粉酶及糖化酶已经在食品加工过程中发挥了重要作用。
例如用淀粉生产高果糖糖浆时，普通的葡萄糖异构酶在中温条件下催化果糖产量很少，而提高温度将促进果糖的生成。
目前已从嗜热的Thermotoga中分离出一种超级嗜热的木糖异构酶，这种酶能够在高温下把葡萄糖转化为果糖，这样就能够提高果糖的产量。