极端微生物活性物质的研究进展顾觉奋,罗学刚中国药科大学生物制药学院,南京210009【摘 要】 极端微生物具有特殊的遗传背景和代谢途径,能够产生各种具有特殊功能的酶类及其它活性物质,在医药、食品、化工、环保等领域有着重大的应用潜力。
本文对重要极端微生物的生理特点及其产生的活性物质进行综述。
【关键词】 极端微生物;活性物质;应用潜力【中图分类号】 R372 【文献标识码】 A 【文章编号】 167223651(2003)0420252205 极端微生物(Extrem ophiles),又称嗜极菌,是一些能够在极端环境下生长的微生物。
所谓极端环境,是指高温、低温、高pH、低pH、高盐度、高压等普通微生物所不能生存的环境。
为了方便研究,一般将极端环境的条件确定如表1。
与普通微生物相比,极端微生物具有不同的遗传背景和代谢途径,因此,研究极端微生物不仅有助于人们对生命本质的探索,而且极端微生物能够产生各种具有特殊功能的酶类及其它活性物质,在医药、食品、化工、环保等领域有着重大的应用潜力(见表2)。
T able1 Extreme environments[1]表1 极端环境条件[1]极端环境条件极端环境条件pH<3、>9有机溶剂>1%温度<10℃、>70℃重金属汞、镉等盐度>15%其它紫外线、X射线等压力>400atmT able2 M ajor extremophiles active substances available for the field of biological engineering and chemical industry[2]表2 可用于生物工程及化工领域的主要极端微生物活性物质[2]应用领域活性物质优 点来源微生物多不饱和脂肪酸嗜冷菌制 药甘油,可相容的溶质成本低廉嗜盐菌胡萝卜素嗜盐藻类抗生素热红菌素、嗜盐菌素、冷霉素、丁酰苷菌素等嗜热菌、嗜盐菌、嗜冷菌、嗜碱菌等PCR、DNA测序、DNA标记DNA聚合酶高温稳定,使PCR自动化得以实现嗜热菌生物传感器脱氢酶嗜冷菌药用表面活性剂膜嗜盐菌水解淀粉制备可溶性糊精、麦芽糖糊精和玉米糖浆、减少面包焙烤时间α2淀粉酶稳定性高、耐酸、细菌淀粉酶Bacillus stearothermophilus(G2ZY ME G995)食品工业、酿酒、清洁剂蛋白酶高温下稳定嗜热菌奶酪、奶制品工业中性蛋白酶高温下稳定嗜热菌纸张漂白木聚糖酶减少漂白剂用量嗜热菌清洁剂蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶增强清洁剂去污力嗜冷菌纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶高pH下稳定嗜碱菌1 嗜热菌(thermophiles) 111 生理特点[3]嗜热菌俗称高温菌,广泛分布在温泉、堆肥、地热区土壤、火山及海底火山地等,最适生长温度可在90℃以上,美国Baross从火山喷口分离出的一些细菌甚至可生活在250℃环境中。
已发现的极端嗜热菌有20多个属,大多为古细菌。
此外,污泥、温泉和深海地热海水中,还生活着能产甲烷的嗜热细菌,其环境温度高,盐浓度大,压力也非常高,实验室很难分离和培养。
而嗜热真菌通常存在于堆肥、干草堆和碎木堆等高温环境中,有助于一些有机物的降解。
112 主要活性物质及其应用11211嗜热酶 人们已从嗜热菌中分离到多种嗜热酶(55～80℃)及超级嗜热酶(80～113℃),不仅具有化学催化剂无法比拟的优点,如催化效率高和底物专一性强,而且高温下稳定性好,因而可克服中温酶(22～55℃)及低温酶(-2～20℃)在应用过程中常出现的生物学不稳定的缺点,从而使许多高温化学反应得以实现[4]。
主要的嗜热酶有DNA 聚合酶、蛋白酶等(见表3)。
其中,耐热DNA聚合酶的发现,使聚合酶链反应(PCR)技术的自动化得以实现,大大推动了生物工程的发展。
与普通DNA聚合酶相比,它可使PCR过程中高温变性(90℃以上)、低温退火(55～60℃)、适温延伸(70℃左右)均可在酶一次加入的情况下反复循环,从而实现了自动化。
而且,有的耐热DNA聚合酶还具有逆转录活性,可用于cDNA文库的单酶法构建和扩增,可克服mRNA二级结构对反转录过程的抑制作用,简化构建和扩增过程。
目前应用最多的耐热DNA聚合酶是T aq聚合酶,此外还有T th聚合酶、T ca 聚合酶等[6]。
11212 抗生素 有报道称,利用嗜热菌Thermoactinomyces 获得了9种抗生素,其中热红菌素及热绿链菌素已工业化,并在医药领域得到应用[4]。
Phoebe等[7]发现了一个新种嗜热菌P seudomonas akbaalia,并从其发酵液中分离到具有抗真菌活性的化合物,命名为Py ochelin。
有关极端微生物产生抗真菌化合物的报道,这还是首次。
此外,具有抗癌活性的抗生素氨茴霉素(Anthramycin)亦来源于耐热放线菌(Streptomyces ve fuineus变种thermotolerans NRRL3134)[8]。
PyochelinAnthramycin11213 其它活性物质 在堆肥实验中,K plan及合作者[4]利用P seudomomonas thermophila中的一种嗜热需氧菌生产出了多种B族维生素,还利用嗜热菌对2,4,62三硝基甲苯进行了转化。
2 嗜盐菌(Extremeh alophiles)211 生理特点嗜盐微生物通常分布在晒盐场、盐湖、海洋等高盐度环境中。
根据在不同盐浓度下生长情况,K ushner[9]将嗜盐菌分为5类(见表4)。
T able3 M ain thermozymes and their applications[5]表3 主要嗜热酶及其应用[5]应用领域活性物质优 点来源微生物嗜热酶应用优点专利号乙醇脱氢酶手性合成增强稳定性W O9921971DNA聚合酶DNA扩增、逆转录、标记、测序高温稳定,使PCR自动化得以实现US6054301、W O0020629、W O9953074、W O9845452、W O9814590、W O9735988、EP892058、W O9814588葡萄糖淀粉酶淀粉转化高温下稳定糖苷酶水解乳糖高温下减少微生物的生长合成寡糖高温下有较好底物溶解性合成烷基配糖清洁剂可与有机溶剂共存蛋白酶合成阿司帕坦(甜味剂)的前体高温下稳定在PCR前清除DNA高温下稳定肽链合成可与有机溶剂共存膜清洁剂高温,低粘性嫩化肉类高温清洁剂高pH下稳定US5714373皮革浸渍高pH下稳定(续表3)应用领域活性物质优 点来源微生物碱性磷酸酶分子生物学标记探针高温下稳定淀粉酶生产高葡糖糖浆高温下稳定US5714369纤维素酶造纸业高温下稳定W O9744361、W O9714804清洁剂高pH下稳定W O9744361、W O9743381、W O9714804环糊精糖基转移酶生产环糊精高温下稳定JP10234387连接酶连接酶链反应可在高温下反应W O0026381、US5830711启动子测序可在高温下反应漆酶织物漂白W O9725469清洁剂高pH下稳定W O9743381支链淀粉酶生产高葡糖糖浆高温下稳定US5714369木聚糖酶漂白高温下稳定US5922579、EP828002、W O9736995、W O9722691、W O9714803木糖/葡萄糖异构酶生产高果糖糖浆高温移动(反应)平衡脂肪酶—可在高温下溶解底物清洁剂高pH下稳定T able4 Extremh alophiles表4 嗜盐微生物嗜盐菌最适生长盐浓度(NaCl)非嗜盐菌<012m ol/L(<1117%NaCl)弱嗜盐菌012～015m ol/L(1117%～2193%NaCl)中等嗜盐菌015～215m ol/L(2193%～14163%NaCl)极端嗜盐菌215～512m ol/L(14163%～3014%NaCl)耐盐菌012～215m ol/L(1117%～3014%NaCl)212 主要活性物质及其应用21211 嗜盐酶 嗜盐酶能够在较高盐浓度下发挥作用,现已应用的主要是利用嗜盐菌生产S OD、胞外核酸酶、胞外淀粉酶、胞外木聚糖酶等[3]。
21212 抗生素2121211 嗜盐菌素(Halocin) 现已发现有上百株极端嗜盐古菌可以产生嗜盐菌素。
它是一类蛋白类抗生素。
与细菌素相似,嗜盐菌素是由质粒编码、核糖体合成的。
不同的嗜盐杆菌所产生的嗜盐菌素,其抑菌谱互不相同,除了嗜盐菌之间相互抑制外,厉云等[10]已发现由halobacterium QD5产生的嗜盐菌素对蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)也有一定的抑制作用。
目前,研究比较深入的嗜盐菌素有四种:由Helo ferax mediterranei R4产生的嗜盐菌素H4、由Helo ferax gibbonsii ma 2139产生的嗜盐菌素H6,由Halobacterium sp1G N101产生的嗜盐菌素Hal R1,以及产生菌尚未精确分类的嗜盐菌素S8。
它们的分子量大约分别为28,32,215,3158K D。
它们的蛋白均已被纯化,H4的基因hal H4和S8的基因hal S8已被克隆和测序,并在mRNA转录水平上进行了研究。
嗜盐菌素大都比较稳定,除H4外,H6、Hal R1和S8都对热稳定,而且对去盐作用不敏感。
另外,Hal R1对某些有机溶剂如正丙醇、乙腈/三氟乙酸和甲醇不敏感,S8对乙腈等有机溶剂也不敏感。
Price等对嗜盐菌素S8的进一步研究表明:嗜盐菌素S8由36个氨基酸组成,其氨基酸序列为:H2N2S2D2C2N2I2N2 S2N2T2A2A2D2V2I2L2C2F2N2Q2V2G2S2C2A2L2C2S2P2T2L2V2G2G2 P2V2P2C OOH,经一个3410K D的前体蛋白质切割而得。
其性质虽稳定,但抑菌谱很窄,只对少数极端嗜盐古菌有抑制作用,因此在生产上无应用前景[11]。
2121212 Pelagiomicin[12] N obutalca等从采自帕劳群岛的巨藻Pocockiella variegata分离到能产生抗生素的新属G%嗜盐菌Pelagiobacter variabilis。
从其发酵液中分离到一组吩嗪类化合物Pelagiomicins A～C。
其中A在体内对宫颈癌Hela 细胞、BA LB3T3及BA LB3T3/H2ras细胞有明显的细胞毒性(IC50分别为0104,012,0107mg/L),但在体内对P388细胞仅有微弱的抗肿瘤活性。
值得一提的是,目前只有3个化合物含有灰藤黄酸(G riseolutic acid),即Pelagiomicin A、灰黄霉素及Senacarcin A。