极端微生物和极端酶的分离过程与潜在应用
极端微生物（Extremophiles）能够在高热、高盐、高压等极端环境下产生具有稳定性和催化活性的酶，在生物技术、纺织、制药和食品工业领域有广泛的应用前景。组学方法的进步为探索不可培养的极端微生物中的酶和相关基因提供了新的方法。作者在本文中讨论了极端微生物的多样性，探索极端酶（Extremozymes）的组学方法，并总结了极端微生物及其产生极端酶的潜在工业应用。极端酶有望成为促进工业环境友好和可持续发展的基石。
研究背景
极端微生物以其独特的生存环境受到人们的关注，在极端温度、酸碱度、盐度或营养限制下，极端微生物能够保持细胞内蛋白质的活性和稳定性来适应恶劣的环境，这一生存策略产生了能够承受极端环境条件的酶，被称为极端酶。极端酶在工业领域应用广泛，热稳定酶有助于减少工业加工中的嗜温菌污染；嗜碱性酶能够作为洗涤剂中的辅助成分；酸稳定酶在烘焙、果汁加工等食品工业中具有潜在应用。极端酶的获取主要有2种方式：一种方案通过极端微生物的培养和分离获取，受到极端微生物极端生存环境的限制；另一种方案不依赖培养，基于宏基因组学识别和表征新型极端酶基因。
科学观点
多样性的生存环境造就了多样的极端微生物，包括嗜热菌、嗜冷菌、嗜盐菌、嗜碱菌和嗜酸菌等种类。科学家从各类极端环境下分离出不同的极端微生物，例如嗜热菌多分离自温泉和炎热沙漠、嗜冷菌多分离自寒带地区、嗜盐菌分离自盐湖等，其中芽孢杆菌（Bacillota）占比最高（图1）。
图1极端微生物的多样性分布情况
极端微生物产生了丰富的极端酶，科学家已经从极端微生物中表征了脂肪酶、淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶、果胶酶等多种酶，这些酶具有耐受不同极端环境的能力。例如，分离自沙特阿拉伯温泉中的α-淀粉酶在55-60℃环境下具有最佳活性；分离自南极洲的脂肪酶能够在4℃环境下分解脂肪；分离自嗜碱性芽孢杆菌（Bacillus sp.）的葡聚糖酶最佳活性pH值高达10。极端酶的工业应用正成为新兴领域，实现对传统方法的绿色替代。
极端酶具有独特的结构以适应环境，这些结构特征有助于对酶进行人工改造以实现工业化应用。热稳定酶具有高疏水性氨基酸含量以及较低的极性和带电氨基酸含量，并具有更多的疏水接触、更高刚度和大量分子内连接，以在高温下保持结构完整性；嗜冷酶核心疏水性降低但表面疏水性增加，并伴随寡聚化和二级结构的减少；嗜碱性酶具有更高比例的精氨酸和组氨酸残基，而天冬氨酸、谷氨酸和赖氨酸残基减少。重组表达技术的进步使得科学家能够利用基因编辑提高酶的活性，其中也包括极端酶，用以提高产物的产量和理化特性。
在对酶进行工程改造时，改变催化结构域中的氨基酸残基非常重要，这些残基通常与酶和底物的相互作用有关。用于改善极端酶的酶工程策略包括理性设计、半理性设计、定向进化以及酶固定化体系，并在模式生物中进一步克隆和过表达。重组表达方法能够保持极端酶的环境稳定性，同时增强其产量。例如，在大肠杆菌（Escherichia coli）中克隆来自Pyrococcus furiosus的热稳定环糊精葡聚糖转移酶（PFCGT），纯化后的PFCGT在100℃下仍可以保持97%的活性。
图2用于改善极端酶的催化性能和产物产量的不同策略
工业应用场景下，酶需要在一系列恶劣环境下完成催化过程（图3）。在食品行业，多个食品加工过程中有极端酶的参与，包括使用β-半乳糖苷酶去除冷藏牛奶中的乳糖，使用果胶酶降低冷藏果汁中的粘度和浊度，在淀粉加工工业中使用淀粉酶水解多糖，以及使用冷活性蛋白酶加工肉类，依赖于嗜冷极端酶的应用。在纺织行业，酶能够用于水解脂肪、消除润滑剂以提高吸收性和颜料染色、减少牛仔布裂缝和退浆、生物精练、去除淀粉和漂白纺织品。纺织品加工过程中常处于碱性环境，因此需要嗜碱性酶的参与以适应加工环境。例如，来自耐盐微生物的碱性蛋白酶可在恶劣条件下发挥作用，非常适合用于碱性洗涤剂领域。
此外，纺织品常需要冷洗工艺，需要嗜冷酶的参与。商业公司Novozymes生产了包括脂肪酶、蛋白酶、淀粉酶和纤维素酶在内的多种嗜冷酶，能够提高洗涤效率而不会损害布料，同时不会产生污染。减少对化石燃料的依赖和减少温室气体排放的有效方法是更多地依赖生物燃料，酶的高成本是纤维素生物燃料商业和工业生产的主要障碍之一。极端微生物利用多种碳水化合物来源（如半纤维素和淀粉），其生产的多种极端酶有助于促进生物质的酶解和生物转化。
例如，使用嗜热菌中的热稳定酶进行预处理具有许多好处，包括提高生物利用度和溶解度，降低粘度和嗜温菌污染的风险。此外，对极端酶的探索还有助于分子生物领域的发展，最具有代表性的是热稳定聚合酶所导致的PCR反应的进步。在DNA连接实验中，连接酶需要在4℃环境下保持活性，并在反应结束后灭活。例如，在嗜冷假交替单胞菌中，一种能够在4℃具有高活性的新型DNA连接酶已经被克隆和表征。因此，极端微生物及极端酶在分子生物学领域有很大的前景。
图3极端酶潜在的工业应用
极端酶在工业领域的应用市场价值高达33亿美元，而组学方法是发现极端酶至关重要的方法。利用微生物组学，包括宏基因组学、宏蛋白质组学和宏转录组学，能够估计微生物组成、微生物群落功能，并寻找具有所需功能的基因和酶。微生物组学技术不涉及微生物的培养，直接从环境中采集的样本中分离各种DNA、mRNA和蛋白质，从而分离和鉴定基因、蛋白所具有的功能。使用多组学方法中，已从极端微生物中鉴定出各种酶。例如，多组学方法联合DNA测序、RNA-Seq和质谱法，发现了来自嗜热微生物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极端酶活性，有广泛的生物技术应用价值。
图4极端酶的筛选和分离过程
总结展望
作者在本综述论文中详细介绍了极端微生物和极端酶的分离过程与潜在应用，这些极端酶可用于工业生物转化过程，具有重大的经济价值。然而，由于极端微生物及极端酶的特殊生理特性以及定制分子生物学工具的缺乏，对极端微生物和极端酶的研究还很匮乏，极端酶在大肠杆菌或其他宿主细胞中的表达仍然存在问题，尤其是古细菌基因的存在导致基因表达存在误读现象。作者认为使用酶工程对极端酶进行改造是一种有前途的方案，有助于提高酶的活性。因此，了解极端酶的结构和序列将至关重要。