極端微生物在工業(yè)方面的運用

1、極端微生物在工業(yè)方面的運用,16生物技術(shù)一班賈騰飛,前言,1,地球上抗輻射能力最強的生物Halobacterium NRC-1,作為地球的邊緣生命現(xiàn)象, 極端微生物頗為耐人尋味.極端環(huán)境中的微生物為了適應(yīng)生存, 逐步形成了獨特的結(jié)構(gòu)、生理機能和遺傳因子, 以適應(yīng)環(huán)境.,前言,1,極端酶酶在工業(yè)方向的利用,極端微生物產(chǎn)生的極端酶在極端的條件下具有高的活性和穩(wěn)定性,極端酶在高溫、強堿、強酸等極端環(huán)境下能發(fā)揮出比傳統(tǒng)酶更高效的催化作用。,2

2、,極端微生物的主要類群,2,極端微生物的主要類群,嗜熱微生物,深?；鹕娇谌棠透邷氐腜yrodictium abyssi 細(xì)菌,最適生長溫度高于45℃～ 50℃的微生物稱為嗜熱微生物, 最適生長溫度在 80℃以上的微生物稱為超嗜熱微生物.這樣的高溫只能在某些特定的自然環(huán)境發(fā)現(xiàn), 例如溫泉、堆肥、火山地區(qū)以及海底火山、強烈太陽輻射加熱的地面以及熱水器等等.,2,極端微生物的主要類群,嗜冷微生物,南極嗜冷菌psychrobacter imm

3、obilis細(xì)菌,專性嗜冷微生物適應(yīng)在0℃或更低溫度下能生長, 其最適生長溫度低于15℃, 最高生長溫度小于20℃.它們主要分布在地球的南北極地區(qū)、冰窖、終年積雪的高山、深海和凍土地區(qū).在這些低溫的環(huán)境中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種類型的微生物, 例如細(xì)菌、古菌、真菌和微型藻類.兼性嗜冷菌生長的溫度范圍較寬, 最高溫度達(dá)到 30℃時還能生活.,2,極端微生物的主要類群,嗜酸微生物,美國加州金礦毒液中的耐酸細(xì)菌Ferroplasma acidophhi

4、lum,主要分布在一些特定的環(huán)境中, 在這些環(huán)境中存在某種由硫或其化和物形成的酸性條件, 如酸性礦水、酸性熱泉等地區(qū), 嗜酸菌能在pH 為 2以下的環(huán)境中生長, 如自養(yǎng)型氧化硫硫桿菌(Thiobacillus thiooxidans)和氧化亞鐵硫桿菌(T.ferrooxidans)氧化硫為硫酸, 從中獲取能量,同時使環(huán)境pH 值下降到 1～ 1.5, 這兩種細(xì)菌都是極端嗜酸菌.,2,極端微生物的主要類群,嗜堿微生物,PH極高的土地中的嗜

5、堿芽孢桿菌,嗜堿微生物通常生活在堿性環(huán)境中, 例如堿湖、鹽堿湖、鹽堿地、堿性泉甚至海洋等.專性嗜堿細(xì)菌的最適生長pH>10, pH<8.5～ 9.0 時不能生長;兼性嗜堿細(xì)菌的最適生長 pH≥10,但在中性pH 條件下亦能生長.嗜堿菌體內(nèi)也是中性的, 胞內(nèi)酶既不嗜堿也不耐堿, 但它們的體外酶具耐堿和嗜堿性.已分離到的嗜堿細(xì)菌中, 大多數(shù)為好氧菌, 分類上多屬于芽孢桿菌屬(Bacillus), 在普通土壤中很容易發(fā)現(xiàn)它們.,2

6、,極端微生物的主要類群,嗜鹽微生物,紅海鹽灘上的嗜鹽細(xì)菌,高鹽環(huán)境通常是指含有高于海水鹽濃度的特殊環(huán)境.嗜鹽菌通常分布在曬鹽場、鹽湖、腌制品中以及世界上著名的死海中, 能夠在鹽濃度為 15%～ 20%的環(huán)境中生長, 有的甚至能在32%的鹽水中生長.極端嗜鹽菌有鹽桿菌(Halobacterium)和鹽球菌(Halococcus), 屬于古菌.,3,極端微生物酶的開發(fā)與利用,3,極端微生物酶的開發(fā)與利用,嗜熱及耐熱菌來源的高溫酶的開發(fā),MH

7、602 與 MH101 休止菌體中海因酶和氨甲酰水解酶的熱穩(wěn)定性,在 45～50 ℃從自然界篩選了大量的耐熱海因酶產(chǎn)生菌，其中 24 株同時具有較高的海因酶和氨甲酰水解酶活性，17 株為 L-氨基酸生產(chǎn)菌，7 株生產(chǎn) D 型氨基酸。自行篩選的天然菌 BacillusMH602 轉(zhuǎn)化10g/L的芐基海因可生產(chǎn)近9 g/L-苯丙氨酸，具有很強的生產(chǎn)性，同時該菌中兩酶在 35～45 ℃范圍具有很好的穩(wěn)定性。,3,極端微生物酶的開發(fā)與利用,嗜鹽

8、或耐鹽菌來源的高強度酶的開發(fā),馬來酸與檸康酸生物轉(zhuǎn)化制備 D-蘋果酸與 D-檸蘋酸,D–蘋果酸是稀有有機酸，是重要的醫(yī)藥中間體，馬來酸可經(jīng)生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn) D–蘋果酸，國際上曾有報道生產(chǎn)菌以馬來酸鈉為底物，能生產(chǎn) 87 g/L的 D-蘋果酸，物質(zhì)的量轉(zhuǎn)化率為 72%。何冰芳教授從耐鹽菌篩選出發(fā)，獲得生產(chǎn)菌 Arthrobacter pascensDMDC12 的轉(zhuǎn)化酶能耐高濃度的底物， 在鈉鹽形式可生產(chǎn) 204 g/L 的 D-蘋果酸，物質(zhì)

9、的量轉(zhuǎn)化率為95%。該酶還具有較廣泛的底物選擇性，轉(zhuǎn)化檸康酸鈉鹽可生產(chǎn) 187 g/L D–檸蘋酸，物質(zhì)的量收率為 96%。如果采用鈣鹽形式轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)反應(yīng)分離耦合，可生產(chǎn)約 300 g/L 的 D–蘋果酸。,3,極端微生物酶的開發(fā)與利用,耐有機溶劑微生物與雙相生物催化,何冰芳教授建立了耐有機溶劑菌庫，開展了相關(guān)蛋白酶，脂肪酶的研究，獲得了新型的耐有機溶劑蛋白酶。如 Bacillus sp. YP1A 菌所產(chǎn)的蛋白酶具有很強的耐堿性、耐熱

10、性和耐有機溶劑的特性，該蛋白酶經(jīng)等體積（50％，v/v）的各種有機溶劑處理 1 h后，相對活力如圖4所示。該蛋白酶在DMF、DMSO、丁醇、甲苯、環(huán)己烷等溶劑活性穩(wěn)定，可望在小肽的合成中發(fā)揮重要的作用 ，而胰蛋白酶在各種有機溶劑中酶活性影響較大。有機溶劑耐性菌的固定化將開發(fā)出比以往在有機溶媒中穩(wěn)定性更好、活性更高的生物反應(yīng)器。,4,應(yīng)用實例,4,應(yīng)用實例,高熱穩(wěn)定性蛋白酶,來自 Pyrobacu-lum aerophilum 的高熱穩(wěn)定

11、性蛋白酶,該酶可以水解角蛋白,形成氨酸基和多肽,該酶的最適溫度為 80℃, 最適 pH 為 10 。該酶被用作研究枯草桿菌中性蛋白酶基本結(jié)構(gòu)的模型。,應(yīng)用實例,高熱穩(wěn)定性淀粉酶,4,對高溫淀粉酶的最佳工作溫度范圍進(jìn)行實驗測定,目前, 一些具有耐熱活性的 α-淀粉酶已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),如來自 Bacillus licheniformis 、T .mar-itima 的淀粉酶通常被用于淀粉的液化作用,但后者的淀粉酶活性顯著依賴于 Ca 2+