极端微生物

1.极端生命形式－极端微生物（extremophiles）在沸腾的热泉中，近100oC的高温足以
使一般的生命细胞物质变性，然而有一类称为嗜热菌的微生物却将热泉作为其甜蜜的
家园，同样，在低温、高碱、高盐、高压等极端环境下，也有极端的生命世界，已发
现的极端生命形式包括嗜热菌、嗜冷菌、嗜碱菌、嗜酸菌、嗜盐菌、嗜压菌等，统称
为极端微生物，它们构成了地球生命的独特风景线，其存在的机理与意义为更好地认
知生命现象、发展生物技术提供了宝贵的知识源泉。
2.极端微生物是最适合生活在极端环境中的微生物的总称，包括嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱、嗜压、嗜金、抗辐射、耐干燥和极端厌氧等多种类型。

科学家们相信，极端微生物是这个星球留给人类独特的生物资源和极其珍贵的科研素材。开展极端微生物的研究，对于揭示生物圈起源的奥秘，阐明生物多样性形成的机制，认识生命的极限及其与环境的相互作用的规律等，都具有极为重要的科学意义。极端微生物中发现的适应机制，还将成为人类在太空中寻找地外生命的理论依据。极端微生物研究的成果，将大大促进微生物在环境保护、人类健康和生物技术等领域的利用。

现在地球的环境是宇宙中难得的人类家园，而从宇宙或地球历史上看，所谓极端环境才是普通环境，极端微生物的研究将有助于揭示生命起源、生命极限、生命本质甚至其它生命形式等生命科学的悬念。

1997年起，美国国家科学基金会启动了关于极端微生物的研究的专项Life in Extreme Environments （LexEn）在极端微生物的基础研究方面开展了系的工作，基本围绕三个问题：<1>物种多样性－生命极限条件是什么？<2>功能多样性－生命的行为规律是否存在？
生命进化－生命如何从前生条件进化而来？<3>在极端微生物的生物技术利用方面，美国已经开始享受极端酶带来的利益，PCR酶、ENT酶、碱性酶及极端“石油工作者已在产业上产生了重要影响。在基因芯片、新材料、新药等方面，对极端微生物的期望正在努力中。

日本1991年开始实施了著名的深海之星（Deep-star）计划，耗资50亿日元进行为期5年深海极端微生物的研究，现在每年仍维持300万美元的资助。从深海中获得了1000多株嗜压、嗜冷、嗜热、嗜碱及耐有机溶剂的多类型的极端微生物，最引人注目的则是有机溶剂菌，其极端因子为苯、甲苯、环已胺、煤油等，溶剂浓度可达50％。这些极端微生物在新酶、新药开发及环境整治等方面的应用潜力极大。

欧盟于96年结束的一个资助期为三年的极端微生物的预研项目－Biotechnology of Extremophiles，又于97年启动

一个耗资700万欧元的计划――“极端细胞工厂”（Extremophiles as Cell Factory），开发极端微生物及其产物的利用价值。作为欧盟的整体策略，极端微生物项目的目的是“利用生物技术改造现在的化学工业过程”，项目协调人Antrinikan教授认为，极端微生物工业的时代已经到来。

我国对微生物的研究已有20多年的历史，研究内容涉及极端微生物的资源调查、物种分析以及生理生态研究等。近年来，又在极端微生物分子生物学、基因组学和蛋白质组学等方面取得了重要进展。我国特殊的地理环境，赋予了得天独厚的极端微生物资源，加强极端微生物这一重要遗传资源的认识、保护、开发和持续利用，是我国生物技术实现跨越式开发的一次难得的机会。对于提高我国科技的国际地位、迎接21世纪的挑战具有深远的意义。
3.今年，中国科学院微生物所向科技部申报的“973”项目“极端微生物及其功能利用的基础研究”获得批准。这是我国在极端微生物资源研究领域批准的第一个“973”项目，也是以微生物所为依托单位，并由该所科研人员担纲首席科学家的第一个“973”项目。

极端环境微生物的研究一直是微生物所的强项，在周培瑾老所长为代表的科学家经过几十年的努力，通过对极端微生物的研究，筛选获得高效厌氧菌，降解重质油，提高采油率，生物制氢被认为是最具有发展前景的制氢途径之一，可再生资源如秸秆等的生物产氢过程包括多种微生物参与，通过对产氢环境中微生物元基因组的研究，认识这些微生物群体的功能，并对微生物群体进行改造，使提高生物制氢的效率达到理论产氢效率的50%以上。

2004年7月1日，全国人大副委员长、中科院院长路甬祥到微生物所视察工作时希望该所在微生物采油、微生物能源(制氢)方面能有所作为。结合路院长的指示要求，新一届所领导班子对该项目给予了高度的重视，组织相关领域的专家进行前期筹划，单位间的协调，所内优势力量的整合。并多次召开专题会议，对该项目进行论证。院生物局领导在项目论证前专程来到微生物所，与管理部门和研究人员就整个项目的科学理念、关键问题的把握等具体问题进行讨论。这些扎实、细致的前期工作为项目申报以及项目的最终论证成功打下了良好的基础。

该项目以服务国家长远重大战略需求和未来发展，提升我国微生物基础研究的水平和解决重大问题的能力，促进我国可持续发展战略为宗旨，开展极端微生物的研究，揭示生物圈起源的奥秘和发展的规律，阐明生物多样性形成和演变的机制和认识生命与环境的相互作用。该项目还将围绕环境生物整治

、清洁能源生产等国家需求，通过极端微生物适应机理解析和基因资源的发掘，为解决以普通生物为基础的生物技术在实际应用中的问题提供新途径。

该项目共设6个课题，参加的单位有中国科学院微生物研究所、武汉大学、云南大学、浙江大学、吉林大学、清华大学、国家海洋局三所、中国科学院北京基因组研究所、中国科学院上海生物工程中心和中国农业科学院生物技术所，组合吸纳了这些单位中45位优秀的学术骨干参与本项目研究。
4.有一些极端嗜热微生物的：极端嗜热微生物 一般生活在地球构造较活跃的地区，这些地区硫含量较高且呈酸性（pH值一般在0.5~4.0左右），如火山口附近的土壤及热水中、海底的火山流出口、热气喷口及温泉等，另外一些人为造成的高温环境也有嗜热微生物的存在，不同嗜热微生物的最适生存温度不同，但一般都在90℃以上，有的高达上百度。嗜热微生物多为异氧型，其中许多能将硫氧化以取得能量。嗜热微生物之所以可以在高热的环境中生存主要原因取决于其自身的构造和生理特点，关于嗜热机理的假说，归结起来主要有以下几方面：
（1）嗜热微生物膜的化学成分随环境温度的升高发生变化。如饱和脂肪酸含量升高，形成更多疏水键，增加了膜的稳定性；耐热古细菌膜上的双层类脂发生结构重排，如进行共价交联,成为两面都是亲水基的单层脂,也可增加耐热性。
（2）重要代谢产物能迅速合成，tRNA的周转率提高；DNA中,G、C的含量较高,促使生物体中的遗传物质更加稳定；一些组蛋白也可增加DNA的耐热性。（3）蛋白质的热稳定性提高。其天然结构更加稳定，蛋白质一级结构中的个别氨基酸的改变导致其热稳定性的改变；二级结构中包括稍长的螺旋结构，三股链组成的β 折叠结构，Ｃ末端和Ｎ末端氨基酸残基间的离子作用以及较小的表面环等。这使其中的酶形成非常紧密而有韧性的结构,利于热稳定。
（4）其他原因：如斯坦福大学发现的古细菌中的一种含钨的酶(一般生物中的钨没有什么用)，认为它在耐高温的古细菌的代谢中起关键性作用。
具体应用
1极端嗜热微生物　(1)利用菌体发酵：由于高温菌发酵的一些优点，可以节约燃料，可以节约冷却水用量，加热条件下的操作也较容易，有人用极端嗜热菌生产乙醇。(2)利用菌体产生的酶：如用于PCR技术的TaqDNA聚合酶，是从嗜热古细菌Thermusaquoticus中分离出来的。日本也将不易失活的嗜热蛋白酶固定化用于制造天冬甜精。还有人将嗜热酶(如纤维素酶等)用于钻探操作，促使石油或天然气流入油井孔。(3)为基因工程菌提供特异性基因，如德国Hensel等表

达了嗜热古细菌的一个重组基因，表达产物的催化活性及稳定性均与天然酶相同。
5.极端嗜酸微生物:这类微生物经常可以在pH约为1.0~3.0的环境中生存（有的pH低于1），往往生长在火山区或含硫量极为丰富的地区，多为古细菌。根据环境温度的不同又可分为高温型嗜酸微生物、中温型嗜酸微生物、低温型嗜酸微生物。嗜酸微生物具有高韧性的膜，膜对H+和OH-具有不透过性，其泵功能很强，可使菌体内的环境保持中性，并能忍耐体外的高酸环境
嗜冷微生物的酶中含有大量带负电荷的氨基酸残基，特别是天冬氨酸残基；分子表面的极性环状结构呈伸展状态；分子内缺少离子间作用力与疏水作用。这使酶分子呈松散状态，具有较大的可变性，导致酶的热稳定性降低。另外嗜冷微生物细胞膜内含有较高量的不饱和脂肪酸，不饱和脂肪酸熔点低，能在低温下保持细胞膜的流动性。
极端嗜冷微生物
6.科学家们相信，极端微生物是这个星球留给人类独特的生物资源和极其珍贵的科研素材。开展极端微生物的研究，对于揭示生物圈起源的奥秘，阐明生物多样性形成的机制，认识生命的极限及其与环境的相互作用的规律等，都具有极为重要的科学意义。极端微生物中发现的适应机制，还将成为人类在太空中寻找地外生命的理论依据。极端微生物研究的成果，将大大促进微生物在环境保护、人类健康和生物技术等领域的利用。其中，紫膜正倍受关注。

紫膜，就是紫色的膜，是生长在极端嗜盐菌原生质膜上的一种物质，含有与视觉中的视紫红质相类似的蛋白质，在国际市场上的价格相当于黄金的1万倍。

紫膜在嗜盐菌原生质膜上以碎片形式存在，直径大约为0.5微米，厚度5纳米(相当于10-9米)，它与原生质膜上其余部分红膜共面。碎片中的唯一蛋白质细菌视紫红质以三体形式二维六角形晶格排列在天然紫膜中，蛋白占紫膜干重的75%%，其余25%%为类脂。晶格尺寸为14纳米，两个蛋白质中心距离约1.5纳米，每个碎片有10万个细菌视紫红质分子。每个细菌视紫红质分子由248个氨基酸残基的肽链组成，其分子量为26000。该肽链在空间卷曲折叠形成7条跨膜螺旋柱，N端在细胞膜外侧，C端在细胞膜内侧，螺旋柱基本垂直于细胞膜。每个细菌视紫红质结合一个生色团视黄醛，位于216位的赖氨酸上，处于靠近肽链C端细胞膜内侧。
7.中科院微生物研究所向华研究员主持国家863项目“海洋极端嗜盐古菌遗传操作系统的构建”。该项目的主要内容是分离克隆海洋极端嗜盐古菌等的内源性质粒、基因及表达调控元件，研究嗜盐古菌染色体外因子的复制机制及古菌基因的表

达调控规律，构建极端嗜盐古菌特有的基因克隆表达体系，为极端微生物的遗传分析及其重要功能物质的开发利用提供有自主知识产权的工具平台。极端嗜盐古菌蕴藏着丰富的极端嗜盐酶类、生物表面活性物质、重要的生物纳米材料“紫膜”和生物可降解塑料前体物PHA
8.极端微生物，也叫极端环境微生物（extremophiles），楼上已有详细叙述。值得注意的是，极端微生物不仅仅是“耐受”这些极端环境，而且这些极端环境对它们来说是必须的，只有在这些特殊环境下才能生长繁茂。

这一领域的研究，不仅对认识生命起源和生物演化具有重大的科学价值（有人曾以此为依据提出生命起源于沸腾的火山口而非温暖的小池塘），更因为有着广阔的应用价值和巨大的市场潜力而受到各国政府和公司的极大关注。

目前，欧美和日本等都有一些由政府资助的研究计划来推动极端微生物的研究和开发。
除学术机构外，许多公司也投入巨资来开发这一资源。
如：Amersham-Pharmacia公司正在开发一种可用于酶活性非同位素检测系统的热稳定碱性磷酸酶；Archaenzyme公司正在从古菌中分离和开发具有多种用途超热稳定酶（如：DNA连接酶、醇脱氢酶、葡萄糖脱氢酶以及蛋白酶等）；Diversa公司正在利用“非培养技术”直接从采自世界各地的极端微生物样品中提取总DNA，然后通过目标探针从DNA文库中筛选极端酶基因，几年来，已获得500多种新的克隆酶。

目前用于PCR技术的耐热聚合酶—Taq DNA 聚合酶，是由美国的一位微生物学家从黄石国家公园的热泉中发现的水生栖热菌中获得的。它是世界上最抢手的生化工具酶，每年的销售额可达8000万美元。
9.低温微生物适应低温的一个机制是合成冷休克蛋白（cold shock protein, CSP ）。冷休克蛋白首先在大肠杆菌中发现，将大肠杆菌从37℃突然转移到10℃时细胞中会诱导合成一组冷休克蛋白，它们对低温的生理适应过程中发挥着重要作用，检测嗜冷酵母Trichosporon pullulans的冷休克反应，发现冷刺激后冷休克蛋白在很短时间内大量产生。有些分离自南极的耐冷细菌在22℃和4℃时冷休克基因能经常表达，当温度从22℃突然降到4℃1hcspA mRNA后表达量最大。耐冷菌由于生活在温度波动的环境中，它们必须忍受温度的快速降低，这与它们产生的冷休克蛋白是密切相关的。
10.嗜热菌应用前景：
来自嗜热和超热菌的嗜热酶能催化许多高温下的生化反应，在化学工业上大有作为。嗜热菌的水解酶（如嗜热蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、纤维素酶、普鲁兰酶和木聚糖酶等在洗涤剂、淀粉加工、造纸厂等工业中都有很大利益。超嗜热菌还可直接用于工

业过程。例如硫化页菌用于硫化矿的生物沥滤和煤炭脱硫；亚硫酸还原菌用于工业废气脱硫等生物除污。

嗜冷菌的应用前景：
更大的意义在于环境整治：可进行除冰剂等多元醇的低温降解，已用于飞机跑道附近污染土壤的整治。人类废物在15℃的嗜冷菌厌氧降解已进行了中试，嗜冷菌还可以有效地去除硝酸盐。

嗜酸菌的应用前景：
除对研究生命起源和生物演化具重要科学价值外，多数嗜酸菌，特别是化能无机自养型细菌，在低品位矿生物沥滤回收贵重金属、煤炭脱硫及环境保护方面有着巨大的优越性和潜在的应用价值。另外嗜酸热古菌还是高温酶的重要来源，目前已分离出一些耐高温酶如乙醇脱氢酶，β-半乳糖甘酶，苹果酸脱氢酶等。

嗜碱菌的应用前景：
通过对嗜碱菌的研究已发现了许多具有特殊性质的酶类，如淀粉酶、蛋白酶、环化糊精酶、纤维素酶等，这些酶都具有较高的最适pH值、较高的热稳定性和适应性，其结构功能的研究对中性酶的改造也有重大意义。

嗜盐菌：尽管到目前对商业界还没有大的影响，但极端微生物的所有专利的20%与其有关，具有很多潜能。

11.极端微生物(extremophiles)是依赖于一种或多种极端物化因子的极端生命形式，其存在的原理与意义为更好地认知生命现象、发展生物技术提供了宝贵的知识源泉。 极端微生物的研究将有助于揭示生命起源、生命极限、生命本质甚至其它生命形式等生命科学的悬念。 极端微生物的利用不仅可获得新型产物，并可以突破当前生物技术领域中的一些局限，建立新的生物技术手段，将使我们在环境、能源、农业、健康、轻化工等领域的生物技术能力发生革命。
极端微生物研究兴起于60年代，主要是极端环境微生物生态、新菌种的分离鉴定、理化特性及酶的筛选应用，代表人物是Larsen, Kushner, Horikoshi, Truper等。90年代后期，极端微生物的研究蓬勃发展，extremophiles 一词被广泛使用，对极端微生物的系统分类、生态、生理、生化、遗传以及生物技术利用开展了系统的研究，取得了重要成果。基础研究的代表当属C.Woese的系统发育学，它导致了生物界的重新划分。应用研究当属T.D.Brock 发现的Tag酶在PCR中的应用，它带来了分子生物学的革命。
温度是与包括人类在内的生命活动关系密切的物理因子，对极端温度条件下的极端微生物的研究也非常活跃，至今被描述的嗜热菌已有20多个属，包括古菌及细菌，细胞最适生长温度的上限已到113? C，在系统进化、蛋白质结构与功能及热稳定酶的应用等方面的贡献突出，目前，普遍接受的观点是地球生命的祖先是嗜热类群，尽管已

有嗜冷古菌的报道。当今人们期望嗜热菌在生命进化过程、生命物质温度极限及原理、生物技术新工艺新材料等方面提供知识与资源。嗜冷菌的研究远不如嗜热菌那样广泛，主要成就来自南极及深海微生物的研究，尽管在生命低温极限、冷适应机制等方面有相当的诱惑，人们似乎更期望嗜冷菌在生物技术利用方面闯出新路。
盐、碱是另一大类化学因子，嗜盐菌、嗜碱菌的研究较多，在系统分类上，嗜盐菌、嗜碱菌分散到了各个分类类群，极大丰富了微生物多样性，仅嗜盐古菌已有9个属。在区系生态方面，死海、非洲盐碱湖的研究当属典型，不仅获得了大量资源，在环境演化、气候变迁分析中提供了大量生物学知识。嗜盐菌的生理、生化及遗传是极端微生物学科中的传统内容，至今最为人们困惑的是如何在4M盐浓度中进行翻译中RNA与蛋白质的接触。由于嗜盐菌的产物不易在普通受体系统中表达活性，嗜盐菌的遗传系统也是人们热心的内容，对极端嗜盐菌Haloferax、Halobacterium spp. 中度嗜盐菌Halomonas, Chromohalobacter已成功地进行了工作。嗜盐菌的应用潜力表现在相似性溶质、酶、多聚物、脂质体、医药以及环境整治等方面。
嗜碱菌虽然有大量的报道，但“遗留问题”多。开始人们关心的是其碱性酶的应用，后来意识到其膜运输机制、呼吸链的特殊性，对已被广泛接收的Mitchell 化学渗透理论等提出了挑战，而至今所知甚少，对嗜碱菌的生理学知识仅建立在兼性嗜碱芽孢杆菌OF4及C125研究的基础上，该领域的权威Krulwich教授认为，嗜碱菌真正的生理机制还是个谜。随着一些新物种的发现，嗜碱菌的生物多样性又成为一个新的生长点。极端微生物蛋白质结构与功能的研究，对热、冷、盐等已有一些工作，而pH与生物大分子行为的关系还没有任何线索。嗜热菌、嗜冷菌的酶大多可在E.coli受体中表达，而嗜盐菌、嗜碱菌就不那么幸运，许多嗜碱菌的蛋白不能在普通受体中表达或正确折叠，但对嗜碱菌的受体系统只有对Halomonas不多的努力。 另一方面，嗜碱菌及其酶在生物造纸、食品、医药、环境整治及其它化学工业中的应用潜力极大，商业期望值最高，仅用于洗涤剂的碱性纤维素酶的市场预计至少为6亿美元。
许多嗜酸菌、嗜压菌同时具有嗜热或嗜冷的特性，关于嗜酸、嗜压特性的研究常被嗜热菌、嗜冷菌的研究所掩盖，实际上了解不多，而其价值与潜力已被人们所注意。
已被研究的其它极端微生物类群，包括寡营养菌、高渗菌、毒物耐受菌、高辐射菌、深海深地高压菌等等，同时人们也在寻找其它更新奇的类群，并向空间及其它星球发展。
随着

极端微生物研究的升温，极端微生物多样性、生态、生理、生化、遗传与利用的研究，必将有越来越丰富的内容，极端微生物的来源向深海、深地、星系扩展，而基因组学及后基因组学的发展，将极大地推动极端微生物的研究，对于生命起源、地外生物学等领域必将产生积极影响。在极端微生物生物技术利用方面，除了在基因芯片、新材料、新药等努力之外，利用生物技术改造化学工业过程以及环境的生物整治，将是人们关注的热点。

中科院微生物学研究所在研的《极端环境微生物资源开发》项目，其研究的预期目标是：较系统地对我国西部地区不同种类盐湖和碱湖中的极端环境微生物资源开展调查，对云南地热区的高温酸性和高温碱性泉中的高温微生物资源进行分离和收集。完成上述获得的极端微生物菌种资源的分类学研究，提高菌种的保藏技术并建立相应的菌种库和菌种数据库。 通过对嗜盐菌和高温菌基因表达载体及其受体和遗传转化系统的研究，对重要基因进行克隆，并进行基因的功能研究和开发。 进行高温、低温、碱性极端酶的活性筛选，最终获得至少3个新酶基因，开发出1－2种新的洗涤剂用酶，至少实现1个新极端酶的中试生产。

12.
https://www.360docs.net/doc/df12327265.html,/Microbiology/gm_mbm04.htm
https://www.360docs.net/doc/df12327265.html,/niches/evolution/extremophiles.shtml
https://www.360docs.net/doc/df12327265.html,/
https://www.360docs.net/doc/df12327265.html,/Directory/Astrobiology_and_Life_Science/extremophiles/
https://www.360docs.net/doc/df12327265.html,/gb/lives/microbe/microbe_life/200310200023.html