低温微生物及其酶类的研究概况
低温生物化学研究的新进展
低温生物化学研究的新进展随着科技的不断进步，低温生物化学研究的新技术不断涌现，为我们深入了解生命奥秘提供了机会。
本文就低温生物化学研究的新进展做出探讨。
第一，低温下的酶催化机制。
酶是促进生物化学反应的重要催化剂，但酶在高温下容易损失活性，因此低温下研究酶的催化机制具有重要的价值。
研究发现，低温下酶的催化机制与室温下具有相似之处，但酶的动力学参数发生了明显改变。
例如，在低温下，活化能降低，反应速率变缓，即使活性中心发生变化，酶仍可以催化反应。
这些研究为进一步探究酶的结构和机制提供了新思路。
第二，低温下的生物膜与转运。
生物膜是细胞内外环境的界面，起着调节细胞内外物质转运和信号传递的作用。
低温下研究生物膜的结构和功能非常重要，可以揭示膜蛋白在不同温度下的构象变化和分子间相互作用。
研究表明，低温下膜结构和转运机制发生了显著变化，如脂质双层的流动性下降，跨膜蛋白的活性也发生了明显改变。
这些研究为设计新药物和开发新材料提供了有益的参考。
第三，低温下的蛋白质折叠和稳定性。
蛋白质折叠是蛋白质正确发挥生物学功能的关键，而低温下蛋白质折叠与稳定性的研究则对于设计新药物和保护食品具有重要意义。
研究发现，低温下蛋白质折叠和稳定性会受到多种因素的影响，如温度、离子浓度、pH值等。
同时，一些分子伴侣和抗冻蛋白也会对蛋白质折叠和稳定性产生影响。
这些研究为我们深入了解蛋白质结构和功能提供了理论基础。
第四，低温下的代谢途径和能量转换。
代谢途径和能量转换是生命活动的基本过程，而低温下代谢途径和能量转换的研究则有助于理解低温生物对环境的适应和生存。
研究表明，低温下生物体代谢途径和能量转换机制发生了明显变化，如代谢通路发生偏移、氧化磷酸化过程发生抑制等。
同时，低温下某些生物体能产生抗冻物质以维持能量供应，这为我们研究新型能源材料提供了思路。
综上所述，低温生物化学研究的新进展为我们更深入了解生命奥秘提供了新思路、新方法和新技术。
对低温下生物体的适应和生存机制进行深入研究，不仅有助于揭示生命的本质，也为开发生物技术和保护环境提供了重要依据。
低温环境中的微生物讲解
三、微生物适应低温的分子机理
1.通过信号传导使低温微生物适应低温环境
低温微生物可以通过信号传导来感受环境条件 的变化。 例如：耐冷菌丁香假单胞菌脂多糖和膜蛋白的磷 酸化和去磷酸化反应和温度变化有关。
2.通过调整细胞膜脂类的组成来适应低温环境
a.环境温度降低时，微生物细胞膜的不饱和脂肪酸含量会增 加，以维持细胞膜磷脂的半流动状态，使细胞膜在低温条
件下仍能保持运输物质的能力和保持细胞膜上的酶发挥功
能。 b.增加不饱和脂肪酸的比例，增加不饱和脂肪酸的合成。 c.缩短酰基链的长度，增加脂肪酸支链的比例，减少环状脂 肪酸的比例等,对维持膜的流动性具有重要意义。
生长在5℃的南极好氧菌， 细胞脂质总脂肪酸中棕榈 油酸、油酸等不饱和脂肪 酸的含量超过90％。
4.低温微生物通过产生冷激蛋白适应低温环境
当生长温度从21℃降到5℃时，嗜冷酵母能在 12 h内合成26种冷激蛋白（cold shock protein）， 以适应这种低温环境。
四、嗜冷菌的应用
由于低温酶具有催化能力多样、低温下比活力高、特异性 高以及酶分子的柔性和弹性大等特点，在工业上有非常广泛的 用途。 低温酶主要有以下几个方面的用途： （1）洗涤剂的添加剂 （2）纺织工业用酶 （3）食品工业 （4）生物修复 （5）在低水活度条件下的生物催化作用 （6）在其他方面的用途
b.破坏核糖体的结构和功能
一般情况下，温度升高会影响嗜冷菌核糖体RNA和蛋白 质之间的正常结合，同时核糖体的天然结构发生改变。 对嗜冷菌来说，过高的温度还会影响其他可溶性亚细胞 成分的功能。
4.对细胞结构的影响 a.破坏细胞壁
例如：用37℃处理嗜冷红弧菌2h，细胞壁成分分解。
b.破坏正常的细胞形状
低温生物学的研究进展
低温生物学的研究进展低温生物学是生物学中的一个重要分支，研究的是适应低温环境下的生物。
低温环境具有诸多影响生物的特征，如减缓化学反应速度，影响细胞壁和膜的性质，降低蛋白质的构象稳定性等。
低温生物学的研究对象广泛，包括极地微生物、寒地植物和冷血动物等。
在农业、食品科学、药学、环境科学以及生命科学的许多应用领域都有广泛的运用。
近年来，低温生物学的研究取得了许多进展，以下是一些最新的研究成果。
1. 深海单细胞微生物的基因组学研究最近，科学家们通过对深海单细胞微生物的基因组学研究，揭示了能够适应低温环境的微生物的基因组学特征。
他们发现，这些单细胞微生物拥有多种适应低温环境的机制，如改变细胞膜组成、加强细胞壁的强度和改变代谢等。
这些发现为深入理解寒冷环境下微生物的适应机制提供了有力的支持。
2. 寒地植物的基因调控机制寒地植物能够适应极端低温的环境，但是对于这些植物是如何适应在低温下生长的，我们还知之甚少。
最近，科学家们成功地提取了北极的雷克莫斯植物的RNA，并运用现代分子生物学技术进行了深入的研究。
他们发现寒地植物有一套精细的基因调控机制，以应对不同的低温胁迫条件。
这些研究结果有助于我们更好地理解寒地植物的适应机制，也有助于开发新的方法来保护和改良这些植物。
3. 寒带鱼类的代谢特征和行为研究对于低温环境下的寒带鱼类的代谢特征和行为，科学家们进行了深入的研究。
他们发现，寒带鱼类在低温环境下可以调整代谢水平，以保持自身的生理状态。
另外，研究还发现一些鱼类会基于温度的变化，选择不同的栖息地。
这些研究成果为我们更好地理解寒温带水域的生态学提供了帮助。
4. 低温中的蛋白质构象稳定性低温下，蛋白质的构象稳定性受到影响，会发生许多异常反应。
科学家们通过对寒地动物和植物的蛋白质研究，发现这些生物内部的蛋白质可以更好地适应低温，因此可以保持稳定的构象。
这些发现为我们更好地理解生物的蛋白质结构和低温环境对生物的影响提供了基础知识。
微生物产生酶类制剂的研究与开发
微生物产生酶类制剂的研究与开发酶类制剂是利用微生物产生的酶来进行工业生产的重要工具。
随着生物技术的发展，微生物产生酶类制剂的研究与开发变得越来越受关注。
本文将探讨微生物产生酶类制剂的研究与开发的现状和未来发展趋势。
一、微生物产生酶类制剂的意义酶是生物体内功能最为多样化和广泛的一类激素，它在生物体的代谢过程中起着关键的催化作用。
与传统的化学催化剂相比，酶具有高效、高选择性和绿色环保等优点。
微生物作为酶产生的重要来源之一，具有丰富的菌种资源和较低的生产成本，成为工业上应用最为广泛的酶来源之一。
二、微生物产生酶类制剂的研究与开发现状1. 菌种筛选与改造技术的进展酶类制剂研究的第一步是找到具有高酶产量和稳定性的菌株。
通过传统的菌种筛选技术和现代的高通量筛选技术，可以快速地找到高产酶菌株。
此外，基因工程技术的发展为菌种改造提供了新的途径，通过基因突变、基因克隆和表达调控等手段，可以进一步提高酶的产量和活性。
2. 生产工艺的优化为了大规模生产酶类制剂，还需要优化生产工艺。
生产过程中的温度、pH值、培养基等条件的控制对酶活性和产量起着重要作用。
采用合适的发酵设备、培养方式和工艺流程，可以提高酶的产量和纯度。
3. 酶类制剂的稳定性和储存条件制备好的酶类制剂需要满足长期存储和使用的要求。
研究人员通过改善酶的稳定性和开发适当的保存条件，延长了酶类制剂的使用寿命。
常见的方法包括添加保护剂、进行脱水和冷冻干燥等。
三、微生物产生酶类制剂研究与开发的未来趋势1. 研究酶的结构与功能酶的结构与功能之间存在密切的关系。
深入研究酶的结构和催化机制，可以为酶类制剂的开发提供理论基础。
结合计算生物学和生物物理学的研究方法，可以更好地理解酶的结构与功能的关系，并开发出更加高效的酶类制剂。
2. 结合生物工程与合成生物学技术生物工程和合成生物学技术的发展为酶类制剂的研究与开发带来了新的机遇。
利用基因编辑技术和合成生物学的方法，可以设计、重构新的途径和菌株，进一步提高酶类制剂的产量和质量。
低温生物技术的应用现状与前景
低温生物技术的应用现状与前景随着科学技术的不断发展，低温生物技术逐渐成为了过去几十年里科学家争相研究的领域之一。
作为一门新兴技术，低温生物技术在很多方面都取得了重要突破与进展，尤其是在生殖医学、农业、医药、食品加工和环境保护等领域方面的应用及其前景不断拓展。
下文将从这五个角度来分析低温生物技术的应用现状与前景。
生殖医学方面的应用近年来，不孕不育问题已成为影响家庭健康的重要因素之一。
一些夫妻因过早性生活、妇女的产道存在问题或其他原因导致生育受挫。
此时，人工受孕或者移植体外受精育成的胚胎就成为了一种选择。
然而，这两种方式都具有弊端：人工受孕仍会受限于人体自然生理规律；而移植胚胎会对母体造成很大的伤害。
人类低温生物技术的出现为解决这一难题提供了新的思路。
通过低温技术，人类的精子和卵子可以被成功保存并用于较长时间内的体外受精、胚胎培养或人体冷冻保存，最终反复尝试留取良机，为一些不能自然怀孕的夫妇带来了生命的喜悦。
此外，在类似合法性非征时，低温技术也可以通过心理疏导、调整生活习惯及相关药品的使用，辅助夫妻有更多的机会怀上宝宝，激发了新时代人们爱的观念和更深刻的价值。
农业领域方面的应用低温技术在农业生产领域中也发挥着十分重要的作用。
农业生产中种、植、栽培、收成、贮存、运输等各个环节都有可能受到气候、病虫害等自然因素的约束，使得农产品受损，甚至长时间无法储存，偏偏低温技术的应用巧妙地化解了这一问题。
俗话说的“冬藏夏用”，就是指在人工控制的低温环境下，对种子、农作物、水果、蔬菜和其他农产品进行冷藏和冷冻，以延长其品质和保质期。
这个过程中，低温技术不仅可以防止农产品的自然成熟程度和贮存期过短，还可以杀菌消毒，保持其新鲜度、颜色和口感等品质，满足消费者对营养、健康、美味、便捷等需求，有助于减轻农产品供求矛盾。
医药领域方面的应用低温技术的突破性进展还有一个重要方向，就是在医药领域的应用。
在医药研发、制造和贮存等环节中，低温技术都可以发挥很大作用。
低温环境中的真菌代谢物生产及生物活性研究
低温环境中的真菌代谢物生产及生物活性研究真菌代谢物是一类广泛存在于真菌中，具有药理活性或产生生物功能的化学物质。
与其他微生物代谢物相比，真菌代谢物的生产更受生境、营养条件、生老病死状态等因素的影响。
在低温环境中，真菌代谢物的生产及其生物活性研究是近年来研究领域中备受关注的一个方向。
一、低温环境对真菌代谢物的生产影响低温环境是指低于或接近生物界常温的生长环境。
真菌对低温环境的适应性与生理状态、生长方式有关。
低温环境对真菌的生长和代谢都会产生一定的影响，包括对真菌代谢物生产的影响。
低温环境中真菌代谢物的生产与真菌本身的生长具有相关性，并受到低温环境中外界环境、生长阶段、营养状态等多种因素影响。
1.生长速度低温环境下，真菌的生长速度明显受到影响，生长周期会延长，代谢物的生产也会相应受到影响。
同时，真菌的代谢活性也会减弱，导致代谢物的产量降低。
2.自由基产生低温环境会增加真菌产生自由基的数量，该过程对真菌代谢物的生产和生物活性都有着直接的影响。
3.病原菌影响低温环境下，真菌受到病原菌的影响也会加重，真菌的生长发育受阻，影响代谢物的生产。
二、低温环境中真菌代谢物的生产在低温环境中，真菌代谢物的生产具有一定的优势和特点，同时真菌生长周期的延长也会导致代谢物积累，进一步促进代谢物的生产。
1.胞外代谢物低温环境下，真菌中的胞外代谢物生产受到影响，包括真菌的类胡萝卜素、酶等。
此外，低温环境也可以促进真菌的胞外多糖的生产，多糖的其中一类可作为生物药物使用。
近年来，胞外代谢物逐渐成为真菌代谢物的研究热点之一。
2.细胞内代谢物低温环境下，真菌的细胞内代谢物的研究尚不多见。
其中，笔霉科、青霉科、雌性萎缩菌属的真菌代谢物受到了研究人员的关注。
有研究表明，低温环境能够诱导这些真菌的代谢物的产生，而低温环境下的真菌代谢物反而比高温环境下的具有更强的药理活性。
三、低温环境下真菌代谢物的生物活性低温环境下的真菌代谢物具有较高的生物活性，且具有多样化的生物活性，例如抗肿瘤、抗菌、抗病毒、抗氧化、降血压、免疫调节等。
低温对微生物生长和代谢活性的影响研究
低温对微生物生长和代谢活性的影响研究低温是微生物生长和代谢活性的重要因素之一。
在自然界中，低温环境普遍存在，这对于微生物来说是一个重要的应激条件。
随着现代冷冻、冷藏和冷冻干燥等技术的广泛应用，微生物的低温研究在食品加工、药物生产和环境保护等领域具有重要意义。
本文就低温对微生物生长和代谢活性的影响进行了探讨。
一、低温对微生物生长的影响微生物在低温条件下的生长速度和数量会受到影响。
低温会降低细胞分裂速度，也会降低代谢活性和酶反应速度。
氧气含量、营养物质的稳定性和微生物的菌株特性也会对低温下微生物生长产生影响。
在低温环境下，微生物的寿命会变得更长。
一些微生物甚至能够在极低温度下生存。
这些极端耐寒微生物具有越来越多的研究兴趣。
研究表明，在低温条件下，一些细菌（如假单胞菌属）具有更强的生长能力和代谢能力。
而此外，有些微生物对低温环境的适应性则十分有限。
此外，某些因素可以影响微生物在低温下的生长，包括营养、氧气含量、水分、基质 pH 值、光照和压力等等。
因此，根据实验条件，低温对微生物生长的影响是多样化的。
二、低温对微生物代谢活性的影响在低温条件下，细胞代谢会变得更加缓慢、低效。
微生物需要消耗更多的能量来维持其生命活动。
在低温下，生物成分和代谢产物的稳定性也会发生变化，这可能导致对产物品质和药效的影响。
值得注意的是，低温可能会引发微生物的耐药性变化。
有研究表明，低温条件下的微生物增长速度变慢，微生物个体所感受到的抗生素浓度也会降低。
这将导致细菌能够逃避抗生素的杀菌作用，从而增加耐药性。
三、低温对微生物应激反应的影响低温是一种常见的细胞应激条件，可以激活微生物的应激响应机制。
在低温条件下，微生物的膜分子孔径缩小，渗透压升高，蛋白质折叠变化等会导致微生物产生应激反应。
研究表明，低温可以通过多种方式影响微生物的基因表达和蛋白质合成，这将导致细胞适应环境的变化。
例如，低温下，某些微生物会产生更多的 HSPs（热休克蛋白），从而保护细胞膜、酶和其他蛋白质不受环境的损伤。
低温蛋白酶综述
低温蛋白酶的研究进展与应用前景摘要：论文从来源，特征，研究方法等方面阐述了低温蛋白酶的研究进展以及其在洗涤剂、食品、废水处理等工业上的应用前景。
关键字：蛋白酶；低温蛋白酶；低温菌Abstact:The paper analyze the development of alkaline cold-active protease from their origin, characteristics, approaches of research and so on. These psychrotrophilic proteases have great potential in the industries of detergent, food, waste water treatment.Key words: protesse; alkaline cold-active protease; psychorophilic bacteria蛋白酶是目前应用最多的酶，占工业水解用酶的60%左右。
目前工业上应用的蛋白酶多数为中温蛋白酶，最适产酶温度在30-35℃，最适酶活在50℃左右。
已广泛应用于洗涤剂、饲料、皮革、食品加工等行业中[1]。
低温酶是指最是催化温度在30℃左右，在0℃仍有一定催化效率的酶，主要有嗜低温菌（psychropiles）和耐低温菌（chrotrophiles）产生。
这些菌的最适生长和产酶温度一般在20℃[7]。
低温蛋白酶具有产酶温度低，最适酶活温度低，在低温下具有更高的催化效率等特点，因而在洗涤剂、饲料、皮革、食品加工上又中温蛋白酶无法取代的优越性，也越来越受到人们的重视。
自70年代以来，世界上已有许多实验室在从事低温蛋白酶的研究，有些低温蛋白酶已用于工业生产。
如由美国华盛顿大学州立大学的海洋微生物学家研究的嗜碱性蛋白酶应用于洗涤剂工业，改变了欧洲传统的热水洗涤方式，节约能源，使加酶洗涤剂在冷水洗涤中发挥显著的效益。
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・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48 微 生 物 学 杂 志 24卷能[20]。
微生物的低温适应机制,涉及菌体自身的生理、生化、遗传物质,以及所处生态环境与营养条件等众多因素,目前还没有全面、系统的科学结论。
现阶段,人们主要从以下几条途径研究微生物的低温适应机制:营养物质的吸收与转运、DNA的复制合成、蛋白质的合成、合成与分解代谢的正常进行、能量代谢的正常进行以及细胞的分裂。
大量相关研究工作集中在两方面进行:①膜的结构与功能。
研究内容涉及微生物在低温条件下调节膜流动性和通透性的能力、对营养物质的吸收及转运能力、通过膜蛋白和脂多糖的磷酸化作用响应环境温度等;②蛋白的结构、功能与合成。
这方面的研究包括低温酶、抗冻蛋白/多肽、嗜冷蛋白、冷激蛋白、冰核蛋白、延长因子蛋白以及酰基辅酶A硫酯酶等众多与微生物低温适应性有关的蛋白在生理、生化及分子生物学等方面的特性。
另外,还有部分有关细胞质冷冻防护的研究,如对多元醇、可溶性糖、不饱和脂肪酸以及部分氨基酸等低温防护剂的研究。
其中,关于低温微生物膜功能和酶活性的研究,是目前国际上广受关注并吸引大量研究力量的两大热点。
膜的一个重要功能就是对营养物质的吸收和对胞内离子组成的调节。
这一过程是由细胞膜上的运载系统和离子泵来执行。
膜的脂类组成必须提供正确的流动性与膜相结构,才能保证膜组成蛋白能够以有效形式开展离子或营养物吸收、电子运送等必要功能[9]。
对低温微生物膜结构、功能的研究表明,低温条件下,微生物细胞可以通过以下途径来维持膜的流动性、通透性,保证膜的正常生理功能:膜中不饱和脂肪酸含量增多、脂肪酸链长度缩短(有利于膜脂熔点的降低并在低温条件下保持液晶态)[21,22];脂含量升高、膜面积增大(有利于提高菌体细胞对营养物质的吸收能力)[2]。
而细胞膜脂质的不饱和化、脂肪酸链长度缩短以及甲基分枝作用等膜脂类组成的低温适应机制,分别与细胞内的去饱和酶、脂肪酸合成酶等有关[23]。
这些酶也受到环境温度的影响。
来自南极海冰的适冷菌中,很大部分都具有生成PU FA,如EPA,DHA的能力[24]。