極端微生物和極端酶的分離過程與潛在應用
極端微生物（Extremophiles）能夠在高熱、高鹽、高壓等極端環境下產生具有穩定性和催化活性的酶，在生物技術、紡織、制藥和食品工業領域有廣泛的應用前景。組學方法的進步為探索不可培養的極端微生物中的酶和相關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）的組學方法，并總結了極端微生物及其產生極端酶的潛在工業應用。極端酶有望成為促進工業環境友好和可持續發展的基石。
研究背景
極端微生物以其獨特的生存環境受到人們的關注，在極端溫度、酸堿度、鹽度或營養限制下，極端微生物能夠保持細胞內蛋白質的活性和穩定性來適應惡劣的環境，這一生存策略產生了能夠承受極端環境條件的酶，被稱為極端酶。極端酶在工業領域應用廣泛，熱穩定酶有助于減少工業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；酸穩定酶在烘焙、果汁加工等食品工業中具有潛在應用。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和分離獲取，受到極端微生物極端生存環境的限制；另一種方案不依賴培養，基于宏基因組學識別和表征新型極端酶基因。
科學觀點
多樣性的生存環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。科學家從各類極端環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、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
極端微生物產生了豐富的極端酶，科學家已經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℃環境下具有最佳活性；分離自南極洲的脂肪酶能夠在4℃環境下分解脂肪；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10。極端酶的工業應用正成為新興領域，實現對傳統方法的綠色替代。
極端酶具有獨特的結構以適應環境，這些結構特征有助于對酶進行人工改造以實現工業化應用。熱穩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連接，以在高溫下保持結構完整性；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構的減少；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。重組表達技術的進步使得科學家能夠利用基因編輯提高酶的活性，其中也包括極端酶，用以提高產物的產量和理化特性。
在對酶進行工程改造時，改變催化結構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。用于改善極端酶的酶工程策略包括理性設計、半理性設計、定向進化以及酶固定化體系，并在模式生物中進一步克隆和過表達。重組表達方法能夠保持極端酶的環境穩定性，同時增強其產量。例如，在大腸桿菌（Escherichia coli）中克隆來自Pyrococcus furiosus的熱穩定環糊精葡聚糖轉移酶（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物產量的不同策略
工業應用場景下，酶需要在一系列惡劣環境下完成催化過程（圖3）。在食品行業，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用。在紡織行業，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境，因此需要嗜堿性酶的參與以適應加工環境。例如，來自耐鹽微生物的堿性蛋白酶可在惡劣條件下發揮作用，非常適合用于堿性洗滌劑領域。
此外，紡織品常需要冷洗工藝，需要嗜冷酶的參與。商業公司Novozymes生產了包括脂肪酶、蛋白酶、淀粉酶和纖維素酶在內的多種嗜冷酶，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和工業生產的主要障礙之一。極端微生物利用多種碳水化合物來源（如半纖維素和淀粉），其生產的多種極端酶有助于促進生物質的酶解和生物轉化。
例如，使用嗜熱菌中的熱穩定酶進行預處理具有許多好處，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險。此外，對極端酶的探索還有助于分子生物領域的發展，最具有代表性的是熱穩定聚合酶所導致的PCR反應的進步。在DNA連接實驗中，連接酶需要在4℃環境下保持活性，并在反應結束后滅活。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連接酶已經被克隆和表征。因此，極端微生物及極端酶在分子生物學領域有很大的前景。
圖3極端酶潛在的工業應用
極端酶在工業領域的應用市場價值高達33億美元，而組學方法是發現極端酶至關重要的方法。利用微生物組學，包括宏基因組學、宏蛋白質組學和宏轉錄組學，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。微生物組學技術不涉及微生物的培養，直接從環境中采集的樣本中分離各種DNA、mRNA和蛋白質，從而分離和鑒定基因、蛋白所具有的功能。使用多組學方法中，已從極端微生物中鑒定出各種酶。例如，多組學方法聯合DNA測序、RNA-Seq和質譜法，發現了來自嗜熱微生物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，有廣泛的生物技術應用價值。
圖4極端酶的篩選和分離過程
總結展望
作者在本綜述論文中詳細介紹了極端微生物和極端酶的分離過程與潛在應用，這些極端酶可用于工業生物轉化過程，具有重大的經濟價值。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胞中的表達仍然存在問題，尤其是古細菌基因的存在導致基因表達存在誤讀現象。作者認為使用酶工程對極端酶進行改造是一種有前途的方案，有助于提高酶的活性。因此，了解極端酶的結構和序列將至關重要。
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