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fxiang1012

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专业: 生物化学

[交流] 极端微生物

什么是极端微生物

　　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。

　　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。

　　比黄金贵万倍的紫膜

　　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。

　　目前，世界上有大批研究人员从事于紫膜的研究工作，一旦有所突破，将会带来革命性的变化。
今年6月，中国大陆科学钻探工程首席科学家许志琴院士向媒体透露，中国大陆科学钻探工程已钻入地下3787米，并在地下2000米深处的极端条件下仍发现大量的极端微生物。这一消息再次引起了人们对极端生命现象的关注。
　　我国对极端环境微生物的研究已有二十余年的历史，中科院微生物研究所青年科学家向华研究员主持的国家863项目“海洋极端嗜盐古菌遗传操作系统的构建”，就是目前我国极端微生物研究的重要课题之一。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。

　　这项工作，被该项目的主持人向华博士称为———建造极端微生物“细胞工厂”。

　　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

　　“生活在极端自然环境中的微生物是生命的奇迹。它们蕴涵着生命进化历程的丰富信息，代表着生命对于环境的极限适应能力，是生物遗传和功能多样性的宝库，也是人类认识生命本质的重要途径。”向华告诉记者。

　　正是基于这样的认识，2001年回国后，向华接过了极端微生物遗传操作系统构建这面大旗，并把目光投放在海洋极端嗜盐古菌上。

　　“极端嗜盐古菌是广泛存在于海水晒盐场、盐湖甚至古海洋沉积物等高浓度盐环境的一大类极端微生物，包括约18个属。”向华介绍说，“极端嗜盐古菌中蕴藏着丰富的极端嗜盐酶类、特殊脂类、生物表面活性物质、蛋白类抗生素（嗜盐菌素），以及重要的生物纳米材料‘紫膜’和生物可降解塑料前体物pha等。我们现在工作的目的是在极端嗜盐古菌中构建用途广泛的遗传操作平台，并对极端古菌重要功能物质进行开发、改造和利用。”

　　完成了国际上第一个极端嗜盐嗜碱古菌质粒的全序列测定及遗传学分析，成功构建了多个具有自主知识产权的克隆表达载体

　　“我们已在极端嗜盐古菌分子生物学，尤其是遗传操作平台领域取得重要进展。”向华透露，研究人员现已从不同类群的极端嗜盐古菌中分离了多个质粒，进行了详细的分子机制分析，并成功构建了多个具有自主知识产权的克隆表达载体，已申请国家发明专利多项。

　　对于其研究经过，向华说，“我们对约30株不同种类的极端嗜盐碱古菌进行质粒普查，从其中一株中分离到一个新的质粒。经过全序列测定表明，这个质粒大小约为2.5kb，含有三个开放阅读框，它们位于质粒的同一条链上。”据介绍，这项研究完成了国际上第一个极端嗜盐嗜碱古菌质粒的全序列测定及遗传学分析，论文已在极端微生物国际专业杂志extremophiles上发表；以该质粒为基础构建的新的载体系统，已成功转化多种极端嗜盐古菌，完成了多个受体菌的限制修饰系统的分析，论文也已在国际杂志发表，并申请了国家发明专利。

　　在国际上首次发现了嗜盐菌素可能的抗性基因；克隆了嗜盐菌素可能的调控基因和转运加工基因，并完成了一个目前极端嗜盐古菌中最小的质粒的克隆及全序列的测定

　　在另一项研究中，工作人员对60余株中性极端嗜盐古菌进行了质粒普查，发现了一个新质粒，完成了分离克隆、全序列测定和genbank注册。研究表明，该类质粒可能代表了极端嗜盐古菌一个新的质粒类型，具有较高的理论价值。由于这项工作的原创性及明确的应用前景，其构建的载体受体系统也已申请国家发明专利保护。

　　此外，向华课题组的研究人员还在极端嗜盐古菌中发现并分离纯化了一种抑菌谱广性质稳定的新的蛋白类抗生素，并完成了其理化性质、氨基酸序列及抑菌谱分析，进而完成了其基因克隆和序列测定；新近又在国际上首次发现了嗜盐菌素可能的抗性基因；克隆了极端嗜盐古菌热诱导启动子，首次进行了其转录起始位点的确定并对其可能的调控机制进行了分析；研究组还克隆了嗜盐菌素可能的调控基因和转运加工基因，并完成了一个目前极端嗜盐古菌中最小的质粒的克隆及全序列的测定。

　　向华介绍说，该项目自2002年10月启动以来，研究组已建成两个不同的载体受体系统系列，申请国家发明专利2项；在国际专业的sci杂志发表论文3篇；在genbank注册新基因序列7组（含新基因约12个，调控元件6个以上）。论文发表后，已引起本领域国际学术界的关注并产生了积极影响，美国佛罗里达大学及俄罗斯科学院2个实验室还表达了合作意向。

　　“紫膜”特定突变体的市场价格目前是黄金的一万倍，只能通过极端嗜盐古菌遗传操作系统进行改良和生产

　　“课题成果是提供有自主知识产权的极端嗜盐古菌遗传操作系统，这是一个高技术的研究和应用平台。”向华说，“但由于本课题成果的利用同样属于高新技术，目前国内企业难以开发利用，因此目前尚未进行应用和转化工作。”他表示课题将进一步结合目标产品开展应用基础研究，发挥技术平台及极端嗜盐古菌细胞工厂的作用，如用于生物纳米材料“紫膜”及生物可降解塑料前体物pha等的生产和改良，形成产品，将更利于产品转化，创造经济效益。

　　他举了个例子：该操作平台可用于生物纳米材料“紫膜”的遗传工程改良。遗传工程优化的“紫膜”突变体，是用于研制生物计算机，进行海量信息处理，全息图像贮存，以及人工视网膜、光电响应元件等领域的，最具开发潜力的生物纳米材料。“紫膜”特定突变体的市场价格目前是黄金的一万倍，只能通过极端嗜盐古菌遗传操作系统进行改良和生产。本课题成果为类似高新技术的国产化提供了可能。另外，古菌的pha性质优良，其遗传工程的进步也将促进该类产业的重大进步。

　　他最后欣慰地告诉记者，目前国家“863”计划已准备对本项目进行滚动支持，在进一步完善该“细胞工厂”的同时，开展应用基础的研究。“我们目前正利用这些具有自主知识产权的遗传操作平台，开展包括紫膜和嗜盐菌素等在内的多种特殊功能物质的研究和生物工程优化。”向华介绍，研究组的长远目标是在理论方面揭示嗜盐古菌的生命本质及其极端适应机制，在应用方面将致力于研制高性能的生物纳米材料“紫膜”突变体，开发和定向改造可在有机高盐环境中发挥活性的极端嗜盐酶类，以及提高生物活性物质和生物材料如嗜盐菌素及pha等的产量和性能等，最终以极端微生物“细胞工厂”为基础，实现认识、改造和生产极端微生物特殊功能物质的目标。

极端微生物的应用

微生物研究是现代生物学中最激动人心的前沿，而极端微生物不仅代表了生命适应环境的多样性及其可能的范围，对探究生命的起源、生命的进化或地外生命都具有非凡意义。同时，极端微生物特殊的基因与产物，也会为工业、农业、人类健康的发展提供新的途径，为现代生物技术带来革命性进步。

极端微生物的特殊功能和功能产物具有自身独特的优点。首先表现在物种资源在工业、农业中已经得到广泛的应用。它们的功能性产物已成为生物技术创新的源泉，并已创造了财富。仅就嗜热酶而言，由于它们的反应所允许的高底物浓度、低粘稠度和低污染率，及在中温受体生物中表达时易于纯化，使得它们具备了潜在的应用优势。目前大规模产业化的极端酶有2个，一是嗜热菌产生的TaqDNA 聚合酶（年销售利润上亿美元），使DNA 的体外复制变得异常的简便和常规化，大大加快了生物工程、基因组等分子生物学研究的进程。另一个是嗜碱菌产生的纤维素酶103 作为洗涤剂的添加剂，已有数十亿美元的市场。
2002 年全球的酶市场近18 亿美元，并以每年4-5％的速度增长，商品酶的品种已有1000 多种，特性酶约占10％。目前全球酶市场的构成为纺织业1.6 亿美元、淀粉糖业1.8 亿美元、洗涤剂业5 亿美元、其他6.3 亿美元。而酶制剂支撑的产业涉及更大的市场。随着极端酶的开发应用，酶市场会迅速扩大。如洗涤剂用酶已是工业酶制剂的主要市场, 加酶洗衣粉在西欧，美国和日本等占总洗衣粉产量的90%, 1997 年Genecor 公司推出的来自极端微生物的碱性纤维素酶，被认为是洗涤剂酶发展的一个里程碑，极大拓展了洗涤剂用酶的空间。我国的加酶洗衣粉不足30%, 洗涤剂用酶的年销售额在2亿元左右，在酶的品种、质量等方面与国外尚有较大的差距,在经济与环境方面的压力很大。应用于洗涤剂的新极端酶的开发，如碱性淀粉酶、碱性甘露聚糖酶等，将大大拓展洗涤剂酶的市场，一个品种的产业化都将创造亿元以上的新市场。

乙醇作为清洁能源是各国能源战略的内容之一。1999 年我国的酒精产量202 万吨，销售额90 亿左右。在未来20 年里，美国利用木质纤维素废物生产乙醇的产量有可能达到每年4.7亿吨，相当于现在的汽油消耗量。2002 年美国计划投资22 亿美元继续促进利用生物质生产燃料及化学品的科技方向。

极端微生物研究的现状与未来

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预计市场为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

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[ Last edited by fxiang1012 on 2007-9-17 at 10:25 ]

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