李沛霖，李力

（福建師范大學生命科學學院，福建 福州 350117）

在高/低溫、高/低pH值、干旱、高壓、高鹽、高輻射等大多數(shù)微生物無法生存的環(huán)境中，如溫泉、熱泉、冷泉、干旱土壤、鹽湖、酸礦排水池等都是極端環(huán)境，某些在極端環(huán)境中能進行生長繁殖的特殊微生物為極端微生物。極端微生物細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸、脂肪的結(jié)構(gòu)及酶的特性等都有別于其他普通環(huán)境的微生物，因此，對極端環(huán)境微生物的研究不僅為生命起源與演化提供理論基礎(chǔ)，而且有利于開發(fā)新型的微生物資源。利用極端微生物特殊的遺傳背景和代謝途徑，設(shè)計和重構(gòu)生物合成途徑以期獲得高價值產(chǎn)品，可實現(xiàn)經(jīng)濟和社會效益的提高。本文就嗜熱、嗜冷/耐冷、嗜酸、嗜堿及嗜鹽微生物及其應(yīng)用進行綜述，并對極端微生物研究面臨的挑戰(zhàn)和未來的研究方向提出了初步的探討。

1 嗜熱微生物及其應(yīng)用

嗜熱微生物是在高溫環(huán)境中生存的微生物，包括最適生長溫度為45～80 ℃的嗜熱菌和最適生長溫度為80 ℃以上的極端嗜熱菌[1]，它們主要分布于火山、熱泉、溫泉及堆肥等高溫地區(qū)，如Synechococcus lividus（63～67 ℃）、Pyrolobus fumarii（106 ℃）等。超嗜熱菌位于系統(tǒng)進化樹的根部且分支較短，其生存的極端環(huán)境與生命起源時地球上的環(huán)境相似，因而極端嗜熱菌可能是與地球上所有生物祖先最接近的生命形式[2]，這也可能是極端嗜熱菌多為古菌、最適生長溫度通常高于真菌和細菌的原因。目前的研究顯示，嗜熱菌耐熱的生物學機制主要與其生物被膜、細胞壁、細胞膜、核酸、蛋白質(zhì)及代謝活動的熱適應(yīng)性有關(guān)[3]。例如：硫磺礦硫化葉菌（Sulfolobus solfataricus）在60～85 ℃時，隨著溫度的升高，生物被膜數(shù)量有明顯地增加[4]，其中16S rRNA和23S rRNA部分的甲基化修飾對于維持結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性也十分有益[5]；Thermotoga maritima的核糖核酸酶HII可通過減少溶劑可及的疏水表面來提高熱穩(wěn)定性，其表達穩(wěn)定的?；鞍卓稍诟邷丨h(huán)境中輔助脂肪酸的合成[6]等。

嗜熱微生物產(chǎn)生的熱穩(wěn)定的酶在生物、化學技術(shù)工業(yè)中發(fā)揮了重要的作用。來源于熱泉的水生棲熱菌Thermus aquaticus中的Taq-DNA聚合酶可以耐受90 ℃以上的高溫而不失活，因此被應(yīng)用于可將微量D N A 大幅度擴增的聚合酶鏈式反應(yīng)。來自Thermoanaerobacter thermohydrosulfuricus的熱穩(wěn)定酯酶對于仲醇酯具有高度的S-立體選擇性，且對有機溶劑耐受，對有機合成中實現(xiàn)動力學拆分提供了有利的選擇[7]。編碼Pyrococcus furiosus的麥芽糊精結(jié)合蛋白用于開發(fā)一種耐熱標簽蛋白表達系統(tǒng)，可應(yīng)用于生產(chǎn)耐熱疫苗抗原[8]。來自Fervidobacterium changbaicum的嗜熱脂肪酶具有顯著的甘油三酯水解活性?；赥hermotoga maritima中含有的a-淀粉酶的轉(zhuǎn)基因植物，能低成本地促進淀粉轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖[9]。在擬南芥中表達來源于Pyrococcus furiosus的超氧化物還原酶增強了其對熱、光和活性氧的耐受性，為提高作物植物的脅迫耐受性提供了一種手段[10]。來源Methanocaldococcus jannaschii的一種小型熱休克蛋白可形成耐熱、均勻的球形膠囊，因而可應(yīng)用于納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計[11]。嗜熱菌中的氫化酶賦予了其產(chǎn)生氫氣的能力，如Pyrococcus furiosus、Thermococcus kodakarensis、Thermotoga maritima、Thermotoga neopolitana和Thermotoga elfii等，這為生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料產(chǎn)品提供了資源儲備。

此外，還在嗜熱菌中發(fā)現(xiàn)了醛縮酶、脫氫酶以及水解酶等，在食品、農(nóng)業(yè)、化工、制藥和廢物處理等方面發(fā)揮著重要作用。嗜熱菌同時也生產(chǎn)活性次級代謝產(chǎn)物，如Thermobifida fusca通過非核糖體多肽生物合成途徑產(chǎn)生fuscachelin類化合物，該類成分對植物生長具有促進作用[12]。

2 嗜冷微生物和耐冷微生物及其應(yīng)用

嗜冷微生物是指最適生長溫度接近或者低于15 ℃，最高生長溫度低于20 ℃，最低生長溫度為0 ℃或者更低的微生物。耐冷微生物是指在4 ℃或者以下能夠生長，最高生存溫度大于20 ℃的微生物[13]。地球海洋表面的平均溫度大約為15℃，深海的溫度甚至更低，一些高緯度地區(qū)也長期處于寒冷狀態(tài)，因此廣泛分布著嗜冷或耐冷菌，如在高海拔地區(qū)?？吹窖t色的積雪，就是由嗜冷的極地雪藻（Chlamydomonas nivalis）紅色孢子造成的。低溫微生物適應(yīng)寒冷的機制主要包括細胞膜流動性增加、降低滲透壓、抑制蛋白質(zhì)在冷應(yīng)激下折疊、分泌冷凍保護相關(guān)的蛋白或酶等[14]。如來源于北極的中慢生根瘤菌Mesorhizobiumsp.通過產(chǎn)生甘氨酸、甜菜堿、海藻糖、甘油、蔗糖、甘露醇和山梨醇等相容性溶質(zhì)或生物表面活性劑來對抗冷凍；Lactococcus piscium通過上調(diào)甘油醛-3-磷酸脫氫酶的表達來克服糖酵解中的溫度限制；Methanococcoides burtonii中的DEAD-box RNA解旋酶在低溫適應(yīng)過程中發(fā)揮著重要作用。

低溫微生物產(chǎn)生的嗜冷酶在較低的溫度下就可以發(fā)揮很高的催化活性，因而在化工、農(nóng)業(yè)、食品以及化妝品等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。分子生物學常用的工具如DNA連接酶（Psychromonassp.SP041）、核酸內(nèi)切酶（Psychromonas ingrahamii）和尿嘧啶-DNA糖基化酶（Vibrio salmonicida）、堿性磷酸酶（Sphingomonassp.BSAR-1、Shewanellasp.SIB1）等。其次，嗜冷菌也為醫(yī)藥領(lǐng)域的研究提供了可選擇的途徑，來自Psychrobactersp.可用于合成天然和非天然氨基酸的轉(zhuǎn)氨酶，從Colwelliasp.中發(fā)現(xiàn)的多種抗氧化酶可用于抗氧化產(chǎn)品及抗癌藥物的開發(fā)，從Aliivibrio salticida中發(fā)現(xiàn)的N-乙酰神經(jīng)氨酸裂解酶對于合成唾液酸有著重要的意義[15]，來自Psychrobactersp.ANT206中硝基還原酶可用于開發(fā)新的抗生素、抗癌藥物等。嗜冷菌在食品工業(yè)[16]也發(fā)揮著不可忽視的作用，如糖異構(gòu)酶、a-淀粉酶等的利用，另一方面，使用嗜冷酶有助于保留揮發(fā)性分子，保留在高溫下可能會喪失的風味、味道和營養(yǎng)價值[17]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，嗜冷微生物不僅可以緩解植物對寒冷的脅迫[18]，還能為植物提供有效的生物肥料和生物防治劑[19]。

3 嗜酸微生物及其應(yīng)用

酸礦水、熱泉或酸性土壤等酸性環(huán)境分布著極端嗜酸菌，包括硫桿菌屬及古菌中的硫化葉菌屬、熱原體屬和鐵原體屬等，pH值≤3是其最適生長的酸性條件。如從火山噴發(fā)形成的極端酸性土壤中分離得到Picrophilus oshimae的最適生長pH值為0.7，pH值大于4時細胞會發(fā)生裂解。嗜酸微生物對酸性環(huán)境的適應(yīng)機制包括減少細胞膜的通透性、耐重金屬、獨特的跨膜電位差以及利用伴侶蛋白抗逆體系緩沖酸脅迫[2 0]等。如氧化嗜酸硫桿菌Acidithiobacillus thiooxidans的細胞形態(tài)隨外界pH值變化而呈現(xiàn)不同的形態(tài)，胞外pH值為0.8時要比pH值為1.2時的細胞短而粗[21]；Acidiphi lium symbioticum可通過改變細胞結(jié)構(gòu)來避免了重金屬的毒性作用[22]等。

嗜酸微生物為工業(yè)用酸穩(wěn)定酶提供了資源。來源于酸熱脂環(huán)酸芽孢桿菌（Alicyclobacillus acidocaldarius）和酸居芽孢桿菌（Bacillus acidicola）的酸穩(wěn)定a-淀粉酶滿足了天然淀粉在進行工業(yè)生產(chǎn)時所需的酸性條件（pH值3.2～4.5)。嗜酸真菌臭曲霉（Aspergillus foetidus）中的酸穩(wěn)定木聚糖酶可作為全麥面包的改進劑[23]，草酸青霉（Penicillium oxalicum）產(chǎn)生纖維素分解酶和半纖維素酶可高效生產(chǎn)阿魏酸，同時可用于功能性食品的開發(fā)、動物飼料和食品工業(yè)等[24]。具有鐵和硫氧化能力的嗜酸微生物在生物冶金技術(shù)方面起著重要作用，例如使用硫桿菌（Acidithiobacillusspp.）催化氧化礦物的還原溶解有助于從褐鐵礦中提取有價值的金屬。嗜酸微生物還具有處理廢水的作用，如弗式檸檬酸桿菌（Citrobacter freundii）表面的生物活性劑能有效去除廢水中的重金屬[25]。

4 嗜堿微生物及其應(yīng)用

嗜堿微生物是指能夠在高堿環(huán)境下生存（pH值8.5～11)，在pH值為10左右的環(huán)境下生長最佳的微生物，包括專性嗜堿微生物（需要pH值＞9才能生存）、兼性嗜堿微生物（中性pH值也能生存）和耐堿微生物（pH值＜10時能生長）[26]。嗜堿菌主要分布于碳酸鹽湖、碳酸鹽荒漠等極端堿性生境，如肯尼亞的瑪格達湖、美國的蘇打湖等，pH值高達10.5～11.0。嗜堿菌的耐堿機制主要包括維持細胞內(nèi)的pH值穩(wěn)態(tài)、能量代謝相關(guān)蛋白和質(zhì)子轉(zhuǎn)運蛋白的適應(yīng)性等。例如Alkalimonas amylolytica在不同pH值環(huán)境中生長時的膜蛋白質(zhì)組和胞漿蛋白質(zhì)組呈現(xiàn)差異表達以應(yīng)對環(huán)境的刺激[27]。Bacillus pseudofirmusOF4的ATP合酶具有嗜堿特異性，從而創(chuàng)造胞內(nèi)質(zhì)子環(huán)境，克服了在堿性環(huán)境中非嗜堿微生物存在的ATP合成熱力學障礙[28]等。

嗜堿微生物在造紙、洗滌酶和環(huán)糊精生產(chǎn)、化妝品、食品以及堿性廢水處理等方面具有廣泛的應(yīng)用。在紡織工業(yè)中，傳統(tǒng)的脫膠工藝使用高濃度的氫氧化鈉，且伴隨沸騰、洗滌和中和步驟，成本昂貴、耗時且導(dǎo)致環(huán)境污染，來源于的Bacillussp.MGcp-2堿性活性果膠酶已被成功地應(yīng)用于亞麻、苧麻、黃麻和大麻纖維的脫膠工藝[29]。Bacillussp.Ⅲ-3產(chǎn)生的中性內(nèi)切葡聚糖酶和堿性內(nèi)切葡聚糖酶，可在洗滌劑或紡織品等工業(yè)中應(yīng)用，與傳統(tǒng)工業(yè)用酶菌株相比，其可在高堿性條件下培養(yǎng)，具有可有效抑制雜菌污染，有利于大規(guī)模的發(fā)酵生產(chǎn)的特點[30]。在紙張的回收過程中，F(xiàn)usariumsp.中的內(nèi)切葡聚糖酶具有脫墨作用，能將調(diào)色劑顆粒從印刷紙上去除[31]。Isoptericola jiangsuensis和Nocardioidessp.可產(chǎn)生耐堿甲殼素，可用于土壤的改良，從而抑制植物病原體或寄生蟲的生長。腈類物質(zhì)通常用于合成一些重要的有機化合物或制造橡膠和強力膠，但腈類不易降解且會對環(huán)境也有不利影響，Nitriliruptor alkaliphilusANL-iso2T中存在腈降解的腈水合酶/酰胺酶途徑，可將異丁腈代謝為異丁酰胺、異丁酸鹽和氨。嗜堿菌還具有生物風化的作用，使得一些營養(yǎng)元素通過風或水帶入農(nóng)田或田地，如風化細菌Arthrobacter nanjingensisA33T和Isoptericola nanjingensisH17T等。

5 嗜鹽微生物及其應(yīng)用

能在鹽湖、死海等高鹽環(huán)境中生存繁殖的微生物稱為嗜鹽微生物。根據(jù)嗜鹽微生物對鹽濃度的適應(yīng)性和需要性，可將它們分為極端嗜鹽菌（2.5～5.2 mol/L NaCl)、中等嗜鹽菌（0.5～2.5 mol/L NaCl）和輕度嗜鹽菌（0.2～0.5 mol/L NaCl)[32]，如鹽桿菌（Halobacterium）、鹽球菌（Halococcus）和鹽脫氮副球菌（Paracoccus denitrificans）等。對于嗜鹽菌能在高鹽環(huán)境中生存和嗜鹽機制包括：K+/Na+反轉(zhuǎn)運蛋白使胞內(nèi)外等滲而不脫水[33]、視紫紅質(zhì)的H+泵作用介導(dǎo)ATP合成以及合成相容性溶質(zhì)以維持滲透平衡[34]等。例如嗜鹽芽孢桿菌（Halobacillus halophilus）合成不同的相容性溶質(zhì)以應(yīng)對不同鹽濃度的環(huán)境脅迫[35]；Halomonas elongata中的K+轉(zhuǎn)運蛋白使得胞內(nèi)積累高濃度的K+，因而可以排斥環(huán)境中的高濃度Na+進入，維持胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)[36]；Euhalothecesp.Z-M001編碼胞外多糖生物合成酶和可溶性胡蘿卜素結(jié)合蛋白的基因的轉(zhuǎn)錄水平隨鹽濃度而變化，從而達到其免受滲透/鹽脅迫的目的[37]。

嗜鹽微生物的應(yīng)用主要包括發(fā)酵食品、耐鹽酶催化相關(guān)反應(yīng)、處理含鹽廢水以及產(chǎn)生獨特的活性化合物等。嗜鹽菌中的酶在一些傳統(tǒng)的咸味發(fā)酵食品中發(fā)揮了作用，如Halobacteriumsp.SP1(1)的蛋白酶被用于魚露的生產(chǎn)，Halalkalicoccus jeotgali.sp.nov.在韓國傳統(tǒng)發(fā)酵海鮮蝦中被分離得到[38]。胡蘿卜素作為一種必需營養(yǎng)素，在天然食用色素、化妝品添加劑和保健食品市場上有很高的需求，杜氏藻（Dunaliella）用于生產(chǎn)胡蘿卜素也是嗜鹽微生物技術(shù)的成功案例之一[39]。許多嗜鹽菌在胞內(nèi)積累有機化合物，以保證在其高鹽環(huán)境中的滲透平衡，如最早在嗜鹽堿光合硫細菌Ectothiorhodospira halochloris中發(fā)現(xiàn)的滲透溶質(zhì)四氫嘧啶，可以保護許多不穩(wěn)定的酶和核酸免受高鹽、高溫、干燥和冷凍的影響，從而延長酶制劑的保質(zhì)期和活性[40]。Halobacterium salinarum的光驅(qū)動質(zhì)子泵視紫紅質(zhì)被作為一種光學材料，在太陽能電池、存儲器、存儲設(shè)備、生物傳感器及光學微腔等中發(fā)揮著重要的作用[41]。嗜鹽菌生產(chǎn)的酶，如DNA酶、脂肪酶、蛋白酶、淀粉酶和明膠酶等水解酶，不僅耐鹽、耐高溫和耐有機溶劑，而且在生物燃料方面也有潛在的應(yīng)用[42]。

6 總結(jié)和展望

在極端溫度、極端pH值及高鹽等極端環(huán)境下生存的微生物，代表了生命適應(yīng)環(huán)境的多樣性及其可能的范圍，同時也展現(xiàn)了微生物面對極端環(huán)境條件脅迫時的魯棒性。極端微生物在苛刻的環(huán)境中“安然無恙”的原因總結(jié)起來有以下幾點：其一，通過調(diào)整細胞壁或細胞膜的結(jié)構(gòu)或功能來維持細胞在極端環(huán)境下的內(nèi)穩(wěn)態(tài)，如嗜堿菌細胞壁中含有的大量帶負電的酸性小分子可以用來中和細胞表面的H+；其二，通過調(diào)整細胞內(nèi)蛋白質(zhì)和核酸等大分子的活性或穩(wěn)定性來保證新陳代謝的正常運行，如嗜熱菌中DNA和tRNA中G和C兩種堿基的含量都很高；其三，合成一些特殊物質(zhì)來幫助自己應(yīng)對環(huán)境的脅迫，如嗜冷微生物會在體內(nèi)合成甘氨酸、甜菜堿、蔗糖和海藻糖等“冷凍保護劑”；其四，通過快速響應(yīng)細胞內(nèi)部損傷來快速啟動DNA修復(fù)機制，如嗜熱菌通過DNA修復(fù)體系進行修復(fù)高溫所造成的基因組DNA損傷。

基于極端微生物在應(yīng)對環(huán)境時演化出來的獨特的適應(yīng)性，其特殊的基因與產(chǎn)物在生物燃料、化工、食品、化妝品、環(huán)境保護、醫(yī)藥等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。第一，極端微生物內(nèi)特有的酶因其優(yōu)良的性能被應(yīng)用于各個行業(yè)，如嗜熱菌產(chǎn)生的Taq-DNA聚合酶因耐高溫被應(yīng)用于PCR技術(shù)，嗜堿細菌產(chǎn)生的蛋白酶由于具有堿性條件下催化活力高、熱穩(wěn)定性強的優(yōu)點而作為洗滌劑的添加劑，嗜極微生物的酶對環(huán)境污染具有修復(fù)作用等。第二，利用極端微生物作為平臺菌株生產(chǎn)目標化學品，如乙醇和氫氣等生物燃料，為人類面臨的能源問題提供了可選擇的途徑。第三，極端微生物的許多次級代謝產(chǎn)物，在工農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，如嗜鹽菌合成的聚羥基脂肪酸酯，具有耐水、生物可降解性及生物相容性等特點，因而可作為人體植入材料和藥物緩釋載體等。極端微生物特殊的基因與產(chǎn)物具有巨大的應(yīng)用價值，為生命技術(shù)的研究注入了新鮮的血液，為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、人類健康的發(fā)展等提供了新的途徑。

對極端微生物的研究對于人類認識自然和利用自然至關(guān)重要。一方面，極端微生物為闡明生命的起源、進化提供了理論基礎(chǔ)，另一方面，極端微生物資源的開發(fā)和利用有利于提高人類生存質(zhì)量。目前對于極端微生物的研究雖然已取得了很大的進展，但仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)，如新型極端微生物的發(fā)現(xiàn)、采集、培養(yǎng)、遺傳操作系統(tǒng)的建立、活性物質(zhì)的生物合成途徑等都是亟須解決的問題。因此，未來還需要更多的基礎(chǔ)研究，并結(jié)合系統(tǒng)生物學、合成生物學、代謝工程學等技術(shù)方法，基于極端微生物的環(huán)境適應(yīng)機制，設(shè)計開發(fā)能夠進行工業(yè)化生產(chǎn)的極端微生物和衍生產(chǎn)品，從而推動生物修復(fù)、生物能源、工業(yè)制藥、天體生物學等技術(shù)的革新。