1. 5 超嗜热菌 :最高生长温度在 80 ℃~ 110 ℃,最低生长温度在 55 ℃左右。 现已发现的超嗜热菌 ,主要包 括灼 热 球菌 属 (Pyrococcus) 、古球 菌 属(Archaeoglobus) 、高(Thermoproteus) 、 甲烷杆菌属(Methanobacterium) 、热棒菌属(Pyrobaculum) 、 硫化叶菌属(Suflolobus)等 ,大多属于古细菌(Archaebacteria) 。 一种超嗜热菌能提供 1000 种以上的耐热蛋白质 ,目前工业生产中使用的高温淀粉酶主要是由中温型细菌地衣芽孢杆菌及其突变株产生的 ,它们的耐热性能较好 ,其最适反应温度为 90 - 95 ℃。 极端耐热淀粉酶主要是从Pyrococcuswoesei ,PyrococcusThermococcus profundus 等古细菌中分离和研究 ,他们 的 最 适 作 用 温 度 分 别 为 100 ℃、 100 ℃ 和80 ℃[19 ,20 ,21 ];1995年BronnenmeierThermotoga maritimeMSB8 中分离出一种纤维素酶 ,其最适作用温度为 95 ℃,最适p H为 6. 0 - 7. 0。从 Thermotoga neapolitana中分离出2种内切纤维素酶:CelA、 CelB ,CelA 分子量为 29kDa ,其最适作用温度为95 ℃;CelB分子量为30kDa ,其最适作用温度为105 ℃。有 些 超 嗜 热 菌 如thermophilum、 T. maritime、 P.furiosu 能 产 生 溶 纤酶 ,能水解微结晶纤维素。 这些酶的最适温度都在95 ℃以上 ,有的甚至在 115 ℃的高温下仍然具有活性;1996 年 ,Hanzawa等[23 ]strainSY中分离的一种胞内蛋白酶 ,对热的抗性极强 , 在 95 ℃ 的高 温中 其半 衰期 为 4. 3h。而从Staphylothemus marinus 中分离的一种球状丝氨酸蛋白酶其抗热性更加惊人 ,在 35 ℃下然具有活性[maritime 和温 变形球菌属furiosus ,等[22 ]从Anaerocellum从Desulfurococcsu后仍]。—3—第 25 卷第 4 期Vol125 No14贺 州 学 院 学 报JOURNALOFHEZHOUUNIVERSITY2009 年 12 月Dec12009180110min2471 2 　嗜热菌耐热机理目前 ,对微生物适应极端环境的机理 ,进行了较为深入的研究 ,已进入到分子水平 ,嗜热菌的耐热机理主要是集中在以下几方面。2. 1 细胞膜耐热机理嗜热菌的细胞膜外有多个隐窝 ,这有利于耐高温。 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液晶状态。 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[25 ,26 ,27]。2. 2 遗传物质耐热机理一般来说 ,嗜热菌的 G - C % 含量与其生长温度成正相关的关系 ,DNA分子中 G- C配对越多 ,解链所需的温度就越高[28 ]。 嗜热栖热菌(ThermusThermophilus)DNA 的 G - C % 高达 60 - 70 %。 此外 ,组蛋白和核小体在高温下均有聚合成四聚体甚至八聚体的趋势 ,这能保护裸露的DNA免受高温降解[29]。 有资料表明嗜热古细菌中存在一种特殊的机制对抗热变性 ,例如反解旋酶结合在 DNA 双螺旋上 ,使 DNA 产生更能耐受高温的正超螺旋结构[30 ]。嗜热菌的DNA双螺旋结构中核苷酸排列非常有序 ,很少有突出的核苷酸或其它不规则因素的存在。 而且 ,在螺旋结构侧面、 近端、 远端的碱基很少会从方阵结构中滑出 ,这保证了碱基堆积力的增加 ,使得DNA双螺旋更加稳定。 另外 ,嗜热菌中的tRNA不仅有很好的热稳定性 ,而且周转率大于嗜温菌 tRNA的周转率。 tRNA 是蛋白质生物合成中的运载工具 ,占有很关键的位置 ,它的耐热性及高周转率有助于一些重要酶的迅速再合成。2. 3 菌体蛋白耐热机理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 ,这就是氢基酸的突变适应[31 ]; 而嗜热菌的蛋白与常温菌蛋白的大小、 亚基结构、 螺旋程度、 极性大小和活性中心都极为相似 ,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、 磷酸化作用等等却不尽相同 ,通常蛋白对高温的适应决定于这些微妙的空间相互作用[32 ]; 化学修饰、 多聚物吸附及酶分子内的交联也是提高蛋白热稳定性的一条重要途径。 嗜热蛋白酶离子结合位点上所结合的金属离子(如 Ca2 + 、 Mg2 +、 Zn2 + 等) 可能起到类似于二硫键那样的桥连作用 ,促进其热稳定性的提高。微生物对极端环境的适应 ,是自然选择的结果 ,是生物进化过程的动因之一。 了解极端环境下微生物的物种、 遗传特性及适应机理 ,不仅为生物进化、微生物分类积累资料 ,提供新的线索;还可直接利用它的特殊基因、 特殊机能 ,创造更有用的新种。 因此 ,极端环境中微生物的发现和研究 ,在理论上和实践上都具有重要的意义。3 　研究嗜热菌的意义我国广大地区的热泉中蕴藏着丰富的嗜热芽孢杆菌资源 ,其在遗传多样性上体现了典型的陆地热泉的微生态构成 ,同时包含了较高丰度的嗜热脂肪酶、 淀粉酶、 蛋白酶和木聚糖酶的产生菌。 嗜热酶是当今研究和开发得最多的极端酶 ,因其具有诸多酶学性质上的优势而具有很高的商业应用价值 ,并有可能会带来巨大的经济效益引 ,来自于嗜热芽孢杆菌的 一 些酶类 已 有成功 的 研发范 例 , 如 来 自Bacilluslicheniformis 的 淀 粉 水 解 酶[33 ]、 来 自Geobacillusstearothermophilus 的聚合酶 Bst I pol[34]等已经应用于商业生产。