嗜极微生物的特性及应用 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 端徽生物，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。 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们，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（治金、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。 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 极端酶的稳定因素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B-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国素尚不肯定闭。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p州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 较高州条件下，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。 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(PC)。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一天冬氨酸+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、B-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