嗜鹽古細菌的耐鹽機制及其應(yīng)用價值研究進展*

崔云虹 宋青山

河套學院 內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000

引言

嗜鹽類微生物（Halophiles）是橫跨古生菌、細菌和真核三界物種的嗜鹽類物種。嗜鹽類細菌有輕度、中度和極端嗜鹽菌三種[1]。嗜鹽古細菌是嗜鹽菌中目前研究最為廣泛的一類菌。該類菌不僅在極端鹽環(huán)境以及高溫條件下生存，其代謝產(chǎn)物具有各種生物活性，被廣泛研究和應(yīng)用到各種生物技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域中[2]。目前針對各種嗜鹽古細菌的生理、代謝、生物應(yīng)用等已有大量的研究，由于其物種架構(gòu)和代謝過程復(fù)雜、培養(yǎng)條件苛刻等原因，目前對嗜鹽古細菌系統(tǒng)化的生理以及代謝方面的解析依舊面臨一定的困難，并且需要更加細致和深入的研究。本文主要圍繞目前已知的嗜鹽古細菌，較全面地探討適應(yīng)極端鹽環(huán)境的原因、生物活性分子的類型以及其在生物技術(shù)領(lǐng)域中的相關(guān)應(yīng)用、可能參與的代謝途徑。

1 嗜鹽古細菌的介紹

嗜鹽古細菌是一類主要生活在高鹽濃度環(huán)境中的古細菌。該類菌主要發(fā)現(xiàn)于廣古菌門（Euryarchaeota）中[3]。鹽桿菌綱是廣古菌門中最大的系統(tǒng)發(fā)育類，由于其生長所需的極端鹽度，已成為嗜鹽適應(yīng)研究的經(jīng)典模型。這些菌絕大多數(shù)屬于需氧生物，并生長于3-5 M NaCl濃度之間。嗜鹽古細菌主要通過自身細胞質(zhì)中大量的K+和Cl-來平衡此極端環(huán)境。

大多數(shù)嗜鹽古細菌形狀呈多樣化，細胞膜中含有異戊二烯衍生物色素[4]，DNA中鳥嘌呤和胞嘧啶含量高，使其能夠在含有高濃度陽離子的細胞質(zhì)中共同穩(wěn)定存在。嗜鹽古細菌都含有多倍體基因組，為其在生態(tài)和進化上提供了很大的便利[5]。

嗜鹽古細菌可以進行有氧和無氧呼吸，絕大多數(shù)嗜鹽菌屬于兼性好氧類菌。所有嗜鹽菌屬都可以利用氨基酸或有機酸作為碳源，還可以利用糖、甘油等碳源。某些種類的嗜鹽古細菌還能夠通過精氨酸的發(fā)酵在厭氧環(huán)境中生長。

2 嗜鹽古細菌對環(huán)境的適應(yīng)

嗜鹽古細菌能夠生活在極性鹽環(huán)境中的原因是它們能夠在高鹽條件維持滲透平衡。此類菌通過在細胞內(nèi)積累大量的無機離子來平衡外周高鹽濃度環(huán)境。主要是通過Cl-子泵將Cl-由環(huán)境運輸至嗜鹽菌的細胞質(zhì)中。一些嗜鹽菌如Haloarcula marismortui、H.salinarum、H.morrhuae主要依賴細胞內(nèi)的K+濃度來維持細胞膜表面滲透平衡[6]。一些嗜鹽古細菌應(yīng)對高鹽濃度的機制是在細胞內(nèi)積累氨基酸、糖和多元醇有機分子。在嗜鹽古細菌中已發(fā)現(xiàn)甘油、糖基甘油、甜菜堿、脯氨酸等攜帶負電荷的滲透物質(zhì)。此外，蔗糖和海藻糖是穩(wěn)定微生物膜至關(guān)重要的滲透劑。

3 嗜鹽古細菌生物活性分子在生物技術(shù)中的應(yīng)用

嗜鹽古細菌能夠產(chǎn)生各種具有活性并且耐高鹽高溫的生物分子，因此在生物技術(shù)和工業(yè)應(yīng)用方面具有非常大的應(yīng)用潛力。

3.1 嗜鹽古細菌蛋白酶

嗜鹽古細菌的分離物中具有嗜鹽和耐熱的酶，它們在鹽類和洗滌行業(yè)都具有潛在應(yīng)用價值。嗜鹽古細菌表面的胞外蛋白酶，其表面攜帶有大量帶負電荷的氨基酸，在嗜鹽菌表面能夠與大量的水和鹽結(jié)合，形成一層由水構(gòu)成的薄層結(jié)構(gòu)，可以有效防止嗜鹽古細菌之間的相互碰撞，避免凝集。因此，這些高鹽環(huán)境下得到的脫水蛋白酶在水、有機以及非水介質(zhì)中能夠表現(xiàn)良好的活性作用，常被用來合成各種工業(yè)用肽。嗜鹽古細菌還因其能夠產(chǎn)生耐熱淀粉酶、脂肪酶和酯酶而受到廣泛的關(guān)注。來源于Haloferax sp. HA10的耐熱淀粉酶A在高溫高鹽下具有一定的活性，因此被頻繁使用于工業(yè)領(lǐng)域。另外，脂肪酶和酯酶因具有底物特異性和高穩(wěn)定性，主要用于生物燃料生產(chǎn)、紡織工業(yè)、廢水處理及作為洗滌劑的添加劑。來源于H.cutirubrum,H.halobium和H.salinarum的限制性內(nèi)切酶是目前在生物學中重要的工具酶。

3.2 膜蛋白

細菌視紫紅質(zhì)（Bacteriorhodopsin, BR）是一種能夠與視網(wǎng)膜色素團結(jié)合的完整膜蛋白。BR最早發(fā)現(xiàn)與H.salinarum產(chǎn)生的紫色膜斑塊[1]。BR的六邊形晶格結(jié)構(gòu)具有耐化學、熱和光化學降解的特點，因此使其在高溫、強光強、離子強度高的生物材料中具有潛在的應(yīng)用前景。BR甚至在光學領(lǐng)域也具有很大的潛力。BR也被認為是光電和生物傳感器的優(yōu)秀候選者。此外，BR在基因治療、海水淡化和人工視網(wǎng)膜等方面也有應(yīng)用。基于這些原因，BR是嗜鹽古細菌中最受歡迎的嗜鹽菌產(chǎn)物。

3.3 生物可降解聚合物和胞外多糖

嗜鹽古細菌體內(nèi)存儲有大量的聚羥基脂肪酸酯（PHAs）和胞外多糖（EPS）。PHA性質(zhì)類似于聚丙烯，可作為合成塑料的替代品。此外，PHAs的生物可降解性、熱塑性和生物相容性使其適合在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)中應(yīng)用。EPS在膠凝劑、乳化劑、微生物采收率等方面有廣泛的應(yīng)用，還可以應(yīng)用于化妝品、醫(yī)藥和生物醫(yī)學等傳統(tǒng)植物源聚合物無法滿足純度和特異性的領(lǐng)域。Haloferax、Haloarcula、Halococcus、Natronococcus和Halobacterium都可以產(chǎn)生大量的可用于商業(yè)開發(fā)的EPS。H.mediterrane也能夠產(chǎn)生大量的PHAs，并且也能夠生產(chǎn)陰離子性的EPS。

3.4 生物修復(fù)

嗜鹽古細菌的一大特色應(yīng)用就是可以用來治理工業(yè)污水。在含鹽高達10% (w/v)的工業(yè)廢水中添加H.salinarum可以有效地促進含鹽廢物的降解。嗜鹽古細菌H.denitrificans和H.mediterranei具有較好的反硝化作用，因此被用作生物反應(yīng)器來移除含鹽類污水中的硝酸鹽和亞硝酸鹽。

3.5 食品發(fā)酵

由于嗜鹽古細菌是在高鹽條件下生存的卓越微生物，因此也可以被應(yīng)用于制備魚露、面糊和腌菜等含鹽發(fā)酵食品中。嗜鹽古細菌產(chǎn)生的胞外蛋白酶可以有效加快發(fā)酵過程，以及提高產(chǎn)品的質(zhì)量，從而降低產(chǎn)品價格。

3.6 藥物遞送

嗜鹽古細菌自身產(chǎn)生的氣泡主要用于浮懸和在高鹽環(huán)境下生存，降低溶解氧濃度。氣體囊泡不僅為好氧嗜鹽菌細胞提供O2，也正在成為新的生物技術(shù)應(yīng)用、抗原顯示和疫苗提供的潛在候選人。古細菌的細胞膜脂磷脂酶、膽鹽、血清、氧化應(yīng)激、高溫和高pH值具有高穩(wěn)定性，也可作為疫苗的潛在載體。嗜鹽菌脂質(zhì)制成的古菌體在小鼠體內(nèi)作為疫苗/藥物傳遞系統(tǒng)是安全無毒的。經(jīng)鼻給藥古菌極性脂已引起陽性免疫反應(yīng)，無毒性，證明其有效使用疫苗。

3.7 納米生物技術(shù)

嗜鹽古細菌膜結(jié)構(gòu)中的S層蛋白能夠在適當?shù)谋砻婊驊腋∫荷献越M裝成單分子層，可以作為適用于納米生物技術(shù)的基石，合成各種生物學分子。據(jù)報道由Halococcus salifodinaeBK6胞內(nèi)合成的穩(wěn)定銀納米顆粒（Stable Nano Particles, SNPs）對G+菌和G-菌均具有抗菌活性。該分離物對硝酸銀具有耐受性。

4 嗜鹽古細菌代謝的研究進展

有關(guān)嗜鹽古細菌的代謝多樣性目前在基因組水平上尚未有全面且深入的研究。在已經(jīng)報道的嗜鹽古細菌基因組中，發(fā)現(xiàn)有許多代謝反應(yīng)的酶基因缺失的現(xiàn)象，說明嗜鹽古細菌具有獨特的代謝途徑。然而，隨著古生菌中新非同源酶的發(fā)現(xiàn)，這些通路缺口中的許多內(nèi)容已被闡明。古菌還利用新的酶和前體來形成戊糖和合成芳香族氨基酸，繞過傳統(tǒng)戊糖-磷酸途徑的酶。對四種嗜鹽古細菌（H.salinarum、H.marismortui、N.pharaonis、H.walsbyi）的基因組序列、代謝途徑進行比較分析發(fā)現(xiàn)，它們有相似的有關(guān)于核苷酸生物合成和萜類為主脂類的代謝途徑。H.marismortui、H.walsbyi和N.pharaonis都具有合成蛋白原氨基酸的生物途徑，而H.salinarum缺失了能夠合成5種基本氨基酸的生物合成能力。有關(guān)葉酸依賴蛋白酶代謝途徑也發(fā)現(xiàn)有幾處異同，可能是由于葉酸代謝的基因組不同。另外，H.marismortui具有多功能的糖和氮代謝，H.walsbyi編碼一個獨特的糖磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)以及H.salinarum具有可變能量代謝的特點。它們的質(zhì)粒具有精氨酸脫氨酶和細胞色素d氧化酶基因簇和甘油脫氫酶基因。N.pharaonis則不能分解代謝甘油和糖，而能編碼一種古細菌型核酮糖二磷酸縮化酶，它可能與一種新的CO2固定途徑有關(guān)。為了適應(yīng)高鹽環(huán)境，嗜鹽古細菌可能通過代謝的增加或損失途徑、質(zhì)粒編碼酶的獲得以及分泌酶的利用等途徑進行代謝。而嗜鹽古細菌的生物基因組通常編碼細菌型酶，而不是非同源古細菌變體。在甲羥戊酸途徑中，IPP異構(gòu)酶和二磷酸戊酸脫羧酶的存在，可能和嗜鹽菌對異戊二烯的高需求有關(guān)。

5 結(jié)束語

近年來，有關(guān)嗜鹽古細菌的研究主要集中在其在鹽脅迫下維持滲透平衡的具體適應(yīng)性和分子機制上。有很多研究對調(diào)查其多樣性和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系很感興趣，那是因為絕大多數(shù)嗜鹽菌構(gòu)成了古代的進化譜系。未來的研究可能會圍繞嗜鹽古細菌的具體物種的代謝進行更加深入的分析和探討，以及與嗜鹽類其他界的物種之間進行生理學、分子生物學方面的比較。有關(guān)鹽生古菌代謝的基因組學、蛋白質(zhì)組學方面的數(shù)據(jù)匯總為未來研究更多的嗜鹽菌提供了非常有價值的資源。此外，許多預(yù)測的反應(yīng)和酶與在模式物種H.salinarum中進行的酶活性測試和標記研究的可用實驗數(shù)據(jù)為研究其他嗜鹽古細菌提供了理論依據(jù)。