極端微生物和極端酶的分離過程與潛在應(yīng)用
極端微生物（Extremophiles）能夠在高熱、高鹽、高壓等極端環(huán)境下產(chǎn)生具有穩(wěn)定性和催化活性的酶，在生物技術(shù)、紡織、制藥和食品工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。組學(xué)方法的進(jìn)步為探索不可培養(yǎng)的極端微生物中的酶和相關(guān)基因提供了新的方法。作者在本文中討論了極端微生物的多樣性，探索極端酶（Extremozymes）的組學(xué)方法，并總結(jié)了極端微生物及其產(chǎn)生極端酶的潛在工業(yè)應(yīng)用。極端酶有望成為促進(jìn)工業(yè)環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展的基石。
研究背景
極端微生物以其獨(dú)特的生存環(huán)境受到人們的關(guān)注，在極端溫度、酸堿度、鹽度或營養(yǎng)限制下，極端微生物能夠保持細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的活性和穩(wěn)定性來適應(yīng)惡劣的環(huán)境，這一生存策略產(chǎn)生了能夠承受極端環(huán)境條件的酶，被稱為極端酶。極端酶在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，熱穩(wěn)定酶有助于減少工業(yè)加工中的嗜溫菌污染；嗜堿性酶能夠作為洗滌劑中的輔助成分；酸穩(wěn)定酶在烘焙、果汁加工等食品工業(yè)中具有潛在應(yīng)用。極端酶的獲取主要有2種方式：一種方案通過極端微生物的培養(yǎng)和分離獲取，受到極端微生物極端生存環(huán)境的限制；另一種方案不依賴培養(yǎng)，基于宏基因組學(xué)識別和表征新型極端酶基因。
科學(xué)觀點
多樣性的生存環(huán)境造就了多樣的極端微生物，包括嗜熱菌、嗜冷菌、嗜鹽菌、嗜堿菌和嗜酸菌等種類。科學(xué)家從各類極端環(huán)境下分離出不同的極端微生物，例如嗜熱菌多分離自溫泉和炎熱沙漠、嗜冷菌多分離自寒帶地區(qū)、嗜鹽菌分離自鹽湖等，其中芽孢桿菌（Bacillota）占比最高（圖1）。
圖1極端微生物的多樣性分布情況
極端微生物產(chǎn)生了豐富的極端酶，科學(xué)家已經(jīng)從極端微生物中表征了脂肪酶、淀粉酶、纖維素酶、蛋白酶、果膠酶等多種酶，這些酶具有耐受不同極端環(huán)境的能力。例如，分離自沙特阿拉伯溫泉中的α-淀粉酶在55-60℃環(huán)境下具有最佳活性；分離自南極洲的脂肪酶能夠在4℃環(huán)境下分解脂肪；分離自嗜堿性芽孢桿菌（Bacillus sp.）的葡聚糖酶最佳活性pH值高達(dá)10。極端酶的工業(yè)應(yīng)用正成為新興領(lǐng)域，實現(xiàn)對傳統(tǒng)方法的綠色替代。
極端酶具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)以適應(yīng)環(huán)境，這些結(jié)構(gòu)特征有助于對酶進(jìn)行人工改造以實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。熱穩(wěn)定酶具有高疏水性氨基酸含量以及較低的極性和帶電氨基酸含量，并具有更多的疏水接觸、更高剛度和大量分子內(nèi)連接，以在高溫下保持結(jié)構(gòu)完整性；嗜冷酶核心疏水性降低但表面疏水性增加，并伴隨寡聚化和二級結(jié)構(gòu)的減少；嗜堿性酶具有更高比例的精氨酸和組氨酸殘基，而天冬氨酸、谷氨酸和賴氨酸殘基減少。重組表達(dá)技術(shù)的進(jìn)步使得科學(xué)家能夠利用基因編輯提高酶的活性，其中也包括極端酶，用以提高產(chǎn)物的產(chǎn)量和理化特性。
在對酶進(jìn)行工程改造時，改變催化結(jié)構(gòu)域中的氨基酸殘基非常重要，這些殘基通常與酶和底物的相互作用有關(guān)。用于改善極端酶的酶工程策略包括理性設(shè)計、半理性設(shè)計、定向進(jìn)化以及酶固定化體系，并在模式生物中進(jìn)一步克隆和過表達(dá)。重組表達(dá)方法能夠保持極端酶的環(huán)境穩(wěn)定性，同時增強(qiáng)其產(chǎn)量。例如，在大腸桿菌（Escherichia coli）中克隆來自Pyrococcus furiosus的熱穩(wěn)定環(huán)糊精葡聚糖轉(zhuǎn)移酶（PFCGT），純化后的PFCGT在100℃下仍可以保持97%的活性。
圖2用于改善極端酶的催化性能和產(chǎn)物產(chǎn)量的不同策略
工業(yè)應(yīng)用場景下，酶需要在一系列惡劣環(huán)境下完成催化過程（圖3）。在食品行業(yè)，多個食品加工過程中有極端酶的參與，包括使用β-半乳糖苷酶去除冷藏牛奶中的乳糖，使用果膠酶降低冷藏果汁中的粘度和濁度，在淀粉加工工業(yè)中使用淀粉酶水解多糖，以及使用冷活性蛋白酶加工肉類，依賴于嗜冷極端酶的應(yīng)用。在紡織行業(yè)，酶能夠用于水解脂肪、消除潤滑劑以提高吸收性和顏料染色、減少牛仔布裂縫和退漿、生物精練、去除淀粉和漂白紡織品。紡織品加工過程中常處于堿性環(huán)境，因此需要嗜堿性酶的參與以適應(yīng)加工環(huán)境。例如，來自耐鹽微生物的堿性蛋白酶可在惡劣條件下發(fā)揮作用，非常適合用于堿性洗滌劑領(lǐng)域。
此外，紡織品常需要冷洗工藝，需要嗜冷酶的參與。商業(yè)公司Novozymes生產(chǎn)了包括脂肪酶、蛋白酶、淀粉酶和纖維素酶在內(nèi)的多種嗜冷酶，能夠提高洗滌效率而不會損害布料，同時不會產(chǎn)生污染。減少對化石燃料的依賴和減少溫室氣體排放的有效方法是更多地依賴生物燃料，酶的高成本是纖維素生物燃料商業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)的主要障礙之一。極端微生物利用多種碳水化合物來源（如半纖維素和淀粉），其生產(chǎn)的多種極端酶有助于促進(jìn)生物質(zhì)的酶解和生物轉(zhuǎn)化。
例如，使用嗜熱菌中的熱穩(wěn)定酶進(jìn)行預(yù)處理具有許多好處，包括提高生物利用度和溶解度，降低粘度和嗜溫菌污染的風(fēng)險。此外，對極端酶的探索還有助于分子生物領(lǐng)域的發(fā)展，最具有代表性的是熱穩(wěn)定聚合酶所導(dǎo)致的PCR反應(yīng)的進(jìn)步。在DNA連接實驗中，連接酶需要在4℃環(huán)境下保持活性，并在反應(yīng)結(jié)束后滅活。例如，在嗜冷假交替單胞菌中，一種能夠在4℃具有高活性的新型DNA連接酶已經(jīng)被克隆和表征。因此，極端微生物及極端酶在分子生物學(xué)領(lǐng)域有很大的前景。
圖3極端酶潛在的工業(yè)應(yīng)用
極端酶在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用市場價值高達(dá)33億美元，而組學(xué)方法是發(fā)現(xiàn)極端酶至關(guān)重要的方法。利用微生物組學(xué)，包括宏基因組學(xué)、宏蛋白質(zhì)組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)，能夠估計微生物組成、微生物群落功能，并尋找具有所需功能的基因和酶。微生物組學(xué)技術(shù)不涉及微生物的培養(yǎng)，直接從環(huán)境中采集的樣本中分離各種DNA、mRNA和蛋白質(zhì)，從而分離和鑒定基因、蛋白所具有的功能。使用多組學(xué)方法中，已從極端微生物中鑒定出各種酶。例如，多組學(xué)方法聯(lián)合DNA測序、RNA-Seq和質(zhì)譜法，發(fā)現(xiàn)了來自嗜熱微生物Thermus filiformis的一系列酶，具有半乳糖苷酶、焦磷酸酶、淀粉酶和葡萄糖苷酶等極端酶活性，有廣泛的生物技術(shù)應(yīng)用價值。
圖4極端酶的篩選和分離過程
總結(jié)展望
作者在本綜述論文中詳細(xì)介紹了極端微生物和極端酶的分離過程與潛在應(yīng)用，這些極端酶可用于工業(yè)生物轉(zhuǎn)化過程，具有重大的經(jīng)濟(jì)價值。然而，由于極端微生物及極端酶的特殊生理特性以及定制分子生物學(xué)工具的缺乏，對極端微生物和極端酶的研究還很匱乏，極端酶在大腸桿菌或其他宿主細(xì)胞中的表達(dá)仍然存在問題，尤其是古細(xì)菌基因的存在導(dǎo)致基因表達(dá)存在誤讀現(xiàn)象。作者認(rèn)為使用酶工程對極端酶進(jìn)行改造是一種有前途的方案，有助于提高酶的活性。因此，了解極端酶的結(jié)構(gòu)和序列將至關(guān)重要。
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