一种超嗜热菌能提供lOoo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 一95。极端耐热淀粉酶主要是从Pyrococcus woe— sei,P)rmcoccus furiosus,ne咖ococcus profundus等古 细菌中分离和研究,他们的最适作用温度分别为 100、loo和80[19,20,21’;1995年BronneIlnleier 等陋1从ne珊otoga ma—timeMSB8中分离出一种纤 维素酶,其最适作用温度为95,最适pH为6.O一7.O。从ne珊otoga neap01itana中分离出2种内切 纤维素酶:CelA、CelB,Ce认分子量为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Anaerocellum t}le珊ophilum、T.m面time、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,Hallzawa等田1从Desuhrococc跚strain. SY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staphylotlle— mus mrinus中分离的一种球状丝氨酸蛋白酶其抗 热性更加惊人,在135下10min后仍然具有活 性‘241。 一137— VOI.25No.4 贺州学院学报 J01瓜NAL oF H髓坝)UNIvERSlTY 2009年12月Dec.2009 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[25,26,271。 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【勰J。嗜热栖热菌(Themus Thennophilus)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啪J。 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【圳;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【321;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+、M92+、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 BacilluSlichenifomlis的淀粉水解酶mJ、来自 C’哟bacilluSstearothennophilus的聚合酶BStI p“34J 等已经应用于商业生产。 研究嗜热菌的一个主要目的是研究与开发嗜热 酶。嗜热菌产生的酶由于和菌体一样耐高温,这使得 它们在生物技术上的应用具有独特的优势【35J:(1) 酶制剂的制备成本降低。因为嗜热酶的稳定性高,因 而可以在室温下分离、提纯和包装运输,并能长期保 持活性;(2)加快了动力学反应。随着反应温度的提 高,分子运动速度加快,酶催化能力增强;(3)对反 应器冷却系统的要求标准降低,因而减少了能耗。由 于嗜热酶有耐高温的特性,所以生产中不需要复杂 的冷却装置。一方面节省开支;另一方面也降低了冷 却过程对环境所造成的污染;(4)提高了产物的纯 度。在嗜热酶催化反应条件下(超过70),很少有 杂菌生存,从而减少了细菌代谢物对产物的污染。 嗜热酶在商业上应用最为广泛的就是把嗜热细 菌The咖us 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,才使P(、R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。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。 嗜热菌可用于细菌浸矿、石油及煤炭的脱硫。在 一些污泥、温泉和深海地热海水中,生活着能产甲烷 一138~ V01.25No.4 贺州学院学报 JoI瓜NAl 0F H眩HOI IUNIVERsnY 2009年12月Dec.2009 的嗜热细菌,生活的环境温度高,盐浓度大,压力也 非常高,在实验室很难分离和培养。