極端微生物生物技術(shù)

第一章　極端微生物的生長(zhǎng)與代謝1
1.1　引言1
1.2　生長(zhǎng)、底物和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2
1.3　糖類的利用，中心代謝途徑和適應(yīng)極端環(huán)境6
1.3.1　嗜酸微生物和嗜堿微生物6
1.3.2　嗜冷微生物9
1.3.3　嗜熱微生物10
1.3.4　超嗜熱微生物11
1.3.5　嗜鹽微生物12
1.3.6　嗜高滲和耐旱微生物13
1.3.7　寡營(yíng)養(yǎng)微生物14
1.3.8　抗壓菌14
1.3.9　抗輻射菌17
1.4　肽與氨基酸代謝17
1.5　中心代謝與氨基酸代謝之間的聯(lián)系19
1.6　結(jié)論與前景20
參考文獻(xiàn)21

第二章　嗜冷細(xì)菌的多樣性、冷適應(yīng)性和生物技術(shù)應(yīng)用34
2.1　嗜冷細(xì)菌的多樣性34
2.1.1　南極洲原核生物多樣性34
2.1.2　北極原核生物多樣性39
2.1.3　喜馬拉雅山脈原核生物多樣性41
2.1.4　極端寒冷環(huán)境細(xì)菌的一些特性43
2.2　耐冷細(xì)菌的環(huán)境適應(yīng)及重要的生物技術(shù)應(yīng)用44
2.2.1　耐冷機(jī)制：概述44
2.2.2　潛在的生物技術(shù)應(yīng)用46
參考文獻(xiàn)47

第三章　極地適冷細(xì)菌和真菌的抗菌潛力58
3.1　引言58
3.2　極地適冷微生物的抗生素潛能59
3.2.1　陸地環(huán)境59
3.2.2　極地湖泊和池塘65
3.2.3　海洋環(huán)境68
3.2.4　與其他生物相關(guān)的微生物72
3.3　具有抗生素活性的海綿相關(guān)南極細(xì)菌的遺傳與基因組75
3.4　具有抗菌活性的適冷微生物的生物活性代謝產(chǎn)物76
3.5　結(jié)論78
參考文獻(xiàn)78

第四章　嗜熱菌：特殊性質(zhì)胞外多糖的重要來源82
4.1　引言82
4.2　細(xì)胞胞外多糖的生理作用83
4.2.1　生物膜84
4.3　產(chǎn)胞外多糖的嗜熱原核生物84
4.3.1　細(xì)菌85
4.3.2　古菌86
4.4　耐熱性胞外多糖的化學(xué)和結(jié)構(gòu)組成87
4.5　嗜熱菌合成胞外多糖的特定條件90
4.6　嗜熱菌胞外多糖的潛在生物技術(shù)應(yīng)用91
參考文獻(xiàn)93

第五章　嗜酸硫還原微生物的生態(tài)生理學(xué)和應(yīng)用97
5.1　自然界中的硫化合物97
5.2　單質(zhì)硫的化學(xué)性質(zhì)98
5.3　硫還原微生物100
5.3.1　硫還原菌的生態(tài)生理學(xué)100
5.3.2　硫的新陳代謝104
5.3.3　參與硫還原的酶105
5.3.4　通過多硫化物還原硫107
5.3.5　通過物理附著將硫還原固定化108
5.4　適應(yīng)酸性條件的機(jī)制110
5.5　生物技術(shù)的應(yīng)用111
5.5.1　工業(yè)廢水和酸性礦井排水111
5.5.2　最先進(jìn)的金屬去除和回收方法112
5.5.3　金屬去除和回收112
5.5.4　硫酸鹽還原過程與硫還原過程成本的比較分析114
5.6　結(jié)論與前景115
參考文獻(xiàn)115

第六章　嗜酸性金屬/硫氧化微生物的生物膜生活方式122
6.1　引言122
6.2　嗜酸性金屬/硫氧化微生物生物膜123
6.2.1　金屬硫化物溶解機(jī)制123
6.2.2　微生物EPS吸附金屬硫化物124
6.3　鐵氧化硫桿菌對(duì)生物膜生存方式的生理學(xué)適應(yīng)127
6.3.1　氧化應(yīng)激反應(yīng)127
6.3.2　無機(jī)磷酸鹽和多磷酸鹽代謝128
6.3.3　影響鐵氧化硫桿菌生物膜組成的其他因素129
6.4　嗜酸性金屬/硫氧化微生物的生物膜可視化129
6.4.1　實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)的嗜酸性金屬/硫氧化微生物的生物膜組成130
6.4.2　自然環(huán)境中嗜酸微生物的生物膜組成133
6.4.3　嗜酸生物膜的分離133
6.4.4　胞外組分的化學(xué)圖譜134
6.5　嗜酸性金屬/硫氧化微生物生物膜生活方式的分子研究134
6.5.1　At.ferrooxidansT生物膜組成的蛋白質(zhì)組學(xué)134
6.5.2　酸性礦井排水生物膜的分子多樣性研究136
6.5.3　酸性礦井排水生物膜的蛋白質(zhì)組學(xué)136
6.6　嗜酸性金屬/硫氧化細(xì)菌的細(xì)胞間通訊137
6.6.1　At.ferrooxidansT的群體感應(yīng)研究138
6.6.2　其他嗜酸性浸出細(xì)菌中的細(xì)胞間通訊138
6.6.3　酸性硫桿菌的c-d-iGMP通路139
6.7　未來前景140
參考文獻(xiàn)140

第七章　嗜酸細(xì)菌：生物學(xué)研究和應(yīng)用148
7.1　引言148
7.2　嗜酸微生物的起源149
7.3　嗜酸微生物生物學(xué)150
7.4　酸穩(wěn)定蛋白質(zhì)的分子適應(yīng)151
7.5　嗜酸細(xì)菌的元基因組和元轉(zhuǎn)錄組分析152
7.6　嗜酸細(xì)菌和古菌進(jìn)行微生物濕法冶金152
7.6.1　銅154
7.6.2　金154
7.6.3　鈾154
7.7　酸穩(wěn)定性酶的應(yīng)用155
7.7.1　淀粉工業(yè)155
7.7.2　烘焙工業(yè)155
7.7.3　果汁工業(yè)156
7.7.4　動(dòng)物飼料157
7.7.5　制藥工業(yè)157
7.8　商品化酸穩(wěn)定酶157
7.9　利用嗜酸微生物發(fā)電158
7.10　生物能轉(zhuǎn)換和生物處理法中的嗜酸細(xì)菌160
7.11　食品中的嗜酸微生物161
7.12　結(jié)論與前景161
參考文獻(xiàn)162

第八章　嗜堿微生物在生物技術(shù)中的應(yīng)用166
8.1　引言166
8.1.1　嗜堿微生物的生存環(huán)境及多樣性分析166
8.1.2　高pH值環(huán)境的適應(yīng)167
8.1.3　嗜堿微生物在生物技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用前景167
8.2　嗜堿微生物的耐堿性酶及其工業(yè)化應(yīng)用168
8.2.1　堿性蛋白酶的應(yīng)用169
8.2.2　耐堿性纖維素酶的應(yīng)用172
8.2.3　耐堿性木聚糖酶及其在牛皮紙漿去木質(zhì)素作用中的應(yīng)用174
8.2.4　耐堿性果膠酶175
8.2.5　耐堿性淀粉降解酶175
8.3　其他嗜堿微生物活性產(chǎn)物176
8.3.1　嗜堿微生物的有機(jī)酸生產(chǎn)176
8.3.2　類胡蘿卜素177
8.3.3　抗菌物質(zhì)178
8.3.4　鐵載體178
8.4　嗜堿微生物在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用179
8.4.1　中和堿性污水179
8.4.2　從紡織工藝介質(zhì)中去除過氧化氫179
8.5　結(jié)論180
參考文獻(xiàn)180

第九章　嗜鹽古菌氮代謝研究進(jìn)展及其在生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用186
9.1　引言186
9.2　硝酸鹽/亞硝酸鹽和氨同化相關(guān)酶187
9.2.1　NO-3和NO-2轉(zhuǎn)運(yùn)體187
9.2.2　氨轉(zhuǎn)運(yùn)體187
9.2.3　同化硝酸鹽還原酶188
9.2.4　同化亞硝酸鹽還原酶188
9.2.5　谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合酶循環(huán)及谷氨酸脫氫酶189
9.2.6　鐵氧還蛋白作為硝酸鹽/亞硝酸鹽同化和GS/GOGAT循環(huán)中的電子供體191
9.3　硝酸鹽/亞硝酸鹽和氨同化相關(guān)酶的調(diào)節(jié)191
9.3.1　硝酸鹽和亞硝酸鹽還原酶的調(diào)節(jié)191
9.3.2　氨同化的調(diào)控：谷氨酸脫氫酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶196
9.4　嗜鹽古菌中的氮調(diào)控蛋白199
9.4.1　不同氮源的GlnK蛋白及其在Hfx.mediterranei氮代謝調(diào)控中的作用199
9.4.2　Hfx.mediterranei中PⅡ同源蛋白的翻譯后修飾200
9.4.3　銨限制條件下Hfx.mediterranei中g(shù)lnK和amtB基因的共轉(zhuǎn)錄201
9.5　生物技術(shù)應(yīng)用201
參考文獻(xiàn)202

第十章　蛋白質(zhì)組學(xué)方法鑒定極端微生物新型蛋白質(zhì)206
10.1　引言206
10.2　蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的發(fā)展207
10.2.1　蛋白質(zhì)的分離和制備207
10.2.2　蛋白質(zhì)鑒定208
10.2.3　質(zhì)譜儀209
10.2.4　蛋白質(zhì)鑒定軟件和生物信息學(xué)工具210
10.3　極端微生物新型蛋白質(zhì)的篩選211
10.3.1　極端微生物蛋白質(zhì)的高通量篩選211
10.3.2　極端微生物的膜蛋白214
10.3.3　極端微生物膜囊泡蛋白及胞外蛋白214
10.3.4　定量蛋白質(zhì)組學(xué)分析215
10.4　結(jié)論216
參考文獻(xiàn)216

第十一章　功能篩選發(fā)掘新型極端酶218
11.1　引言218
11.2　篩選極端酶的方法219
11.3　生物催化劑的高通量功能篩選220
11.4　生物技術(shù)中具有潛力的極端微生物酶223
11.4.1　氧化還原酶225
11.4.2　轉(zhuǎn)移酶228
11.4.3　水解酶229
11.4.4　異構(gòu)酶232
11.4.5　裂合酶233
11.4.6　連接酶234
11.5　結(jié)論234
參考文獻(xiàn)235

第十二章　來源于嗜冷和（極端）嗜熱原核生物的極端脂解酶及其在工業(yè)應(yīng)用中的潛力238
12.1　引言238
12.2　脂解酶的一般特性與酶學(xué)性質(zhì)240
12.3　嗜冷微生物的脂解酶242
12.3.1　適冷酯酶與脂肪酶的多樣性242
12.3.2　通過遺傳工程改良嗜冷菌的酶學(xué)性質(zhì)244
12.3.3　適冷脂解酶的應(yīng)用244
12.4　來源于（極端）嗜熱微生物的脂解酶246
12.4.1　熱活性脂肪酶和酯酶的多樣性246
12.4.2　極端嗜熱古菌作為脂解酶的來源248
12.4.3　酶工程249
12.4.4　熱穩(wěn)定脂肪酶和酯酶的應(yīng)用250
12.5　結(jié)論250
參考文獻(xiàn)251

第十三章　脂解酶生產(chǎn)菌——嗜鹽細(xì)菌和古菌255
13.1　引言255
13.2　脂解酶的重要來源——高鹽環(huán)境256
13.3　嗜鹽酶和耐鹽酶特性258
13.4　嗜鹽和耐鹽脂解酶在生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用260
13.4.1　細(xì)菌來源的脂解酶260
13.4.2　古菌來源的脂解酶262
13.5　未來前景263
13.5.1　生物柴油工業(yè)264
13.5.2　制藥業(yè)264
13.5.3　營(yíng)養(yǎng)行業(yè)264
參考文獻(xiàn)265

第十四章　極端蛋白酶：特殊功能的開發(fā)、潛在來源以及生物技術(shù)中的應(yīng)用270
14.1　引言：蛋白酶的一般特性與分類270
14.2　極端蛋白酶的來源、特性和結(jié)構(gòu)上的適應(yīng)性271
14.2.1　嗜熱蛋白酶271
14.2.2　嗜冷蛋白酶275
14.2.3　嗜堿蛋白酶278
14.2.4　嗜鹽蛋白酶281
14.3　極端蛋白酶的應(yīng)用284
14.3.1　洗滌劑工業(yè)286
14.3.2　食品工業(yè)290
14.3.3　皮革與紡織工業(yè)290
14.3.4　家禽業(yè)291
14.3.5　醫(yī)療和制藥工業(yè)291
14.3.6　蛋白酶在非常規(guī)介質(zhì)中的應(yīng)用292
14.4　結(jié)論和挑戰(zhàn)294
參考文獻(xiàn)295

第十五章　適冷性β-半乳糖苷酶：來源、生化性質(zhì)及其生物技術(shù)應(yīng)用潛力303
15.1　β-D-半乳糖苷酶：基本特征303
15.2　β-D-半乳糖苷酶：工業(yè)酶的來源和應(yīng)用304
15.3　β-D-半乳糖苷酶：工業(yè)來源305
15.4　適冷性β-D-半乳糖苷酶306
15.4.1　GH2家族307
15.4.2　GH42家族309
15.4.3　GH43家族310
15.4.4　其他家族310
15.5　潛在的生物技術(shù)應(yīng)用311
15.5.1　牛奶中乳酸的水解311
15.5.2　β-D-吡喃半乳糖苷的合成314
15.5.3　D-塔格糖的產(chǎn)生315
15.6　結(jié)論和未來趨勢(shì)316
參考文獻(xiàn)317

第十六章　極端磷酸三酯酶樣內(nèi)酯酶在生物技術(shù)上的應(yīng)用320
16.1　引言320
16.2　有機(jī)磷化合物水解酶323
16.2.1　有機(jī)磷水解酶323
16.2.2　甲基對(duì)硫磷水解酶325
16.2.3　血清對(duì)氧磷酶326
16.2.4　微生物脯氨酸肽酶/有機(jī)磷酸酐水解酶326
16.3　磷酸三酯酶樣內(nèi)酯酶327
16.4　極端磷酸三酯酶樣內(nèi)酯酶體外演化332
16.5　進(jìn)化型有機(jī)磷降解酶在生物技術(shù)上的應(yīng)用潛力335
16.5.1　治療和預(yù)防有機(jī)磷中毒335
16.5.2　有機(jī)磷生物監(jiān)測(cè)336
16.5.3　有機(jī)磷修復(fù)336
16.6　結(jié)論和未來前景337
參考文獻(xiàn)338

第十七章　古菌α-淀粉酶的序列、結(jié)構(gòu)及進(jìn)化分析344
17.1　引言344
17.1.1　CAZy分類系統(tǒng)345
17.2　古菌GH13家族α-淀粉酶346
17.2.1　古菌α-淀粉酶GH13_7亞家族346
17.2.2　嗜鹽古菌GH13家族α-淀粉酶350
17.3　古菌α-淀粉酶GH57家族351
17.4　結(jié)論352
參考文獻(xiàn)353

第十八章　極端嗜熱菌DNA復(fù)制所需的蛋白質(zhì)：PCR與其他技術(shù)359
18.1　概述359
18.2　生物的DNA復(fù)制360
18.3　聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)360
18.4　時(shí)間控制和“熱啟動(dòng)”技術(shù)361
18.5　序列特異性及其對(duì)全基因組擴(kuò)增與基因分型的影響361
18.6　復(fù)制精度及其技術(shù)重要性363
18.7　損傷旁路和損傷DNA的擴(kuò)增364
18.8　非天然堿基的插入364
18.9　PCR抑制劑耐受365
18.10　結(jié)論366
參考文獻(xiàn)366

第十九章　嗜熱微生物降解蔬菜廢棄物生物質(zhì)技術(shù)進(jìn)展369
19.1　世界蔬菜廢棄物生物量：木質(zhì)纖維素類生產(chǎn)概述369
19.1.1　木質(zhì)纖維素類廢棄生物質(zhì)預(yù)處理的主要技術(shù)371
19.1.2　植物生物質(zhì)木聚糖提取流程373
19.2　廢棄生物質(zhì)作為極端微生物生長(zhǎng)基質(zhì)的替代碳源374
19.3　用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化獲得生物燃料的極端酶系376
19.3.1　嗜熱細(xì)菌和熱穩(wěn)定酶377
19.3.2　纖維素解構(gòu)377
19.3.3　半纖維素解構(gòu)380
19.3.4　木質(zhì)素解構(gòu)382
19.3.5　熱穩(wěn)定酶：木質(zhì)纖維素降解的過表達(dá)382
19.3.6　水解淀粉的極端微生物383
19.4　蔬菜生物質(zhì)降解的進(jìn)展383
19.4.1　半纖維素提取物的單糖組成384
19.4.2　由半纖維素農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)寡糖的色譜特性384
19.4.3　酶消化前后半纖維素餾分的光譜研究：NMR、MS、FT-IR分析385
19.4.4　轉(zhuǎn)糖基作用過程與半纖維素提取物387
19.5　極端微生物在廢棄生物質(zhì)開發(fā)利用中的生物技術(shù)應(yīng)用：生物燃料和生物氫生產(chǎn)388
19.6　結(jié)論389
參考文獻(xiàn)391

第二十章　通過重建古生物的祖先序列設(shè)計(jì)熱穩(wěn)定酶的策略397
20.1　引言397
20.2　最后一個(gè)共同祖先“Commonote”397
20.3　Commonote生存的環(huán)境溫度的早期研究進(jìn)展398
20.4　計(jì)算分析祖先序列399
20.5　核苷二磷酸激酶的祖先序列重建399
20.6　通過祖先的核苷二磷酸激酶序列估算古生物生活的環(huán)境溫度401
20.7　估算Commonote生存的環(huán)境溫度401
20.8　其他合成祖先蛋白質(zhì)的研究402
20.9　重建祖先序列設(shè)計(jì)熱穩(wěn)定蛋白質(zhì)403
20.10　結(jié)論406
參考文獻(xiàn)406

第二十一章　關(guān)于細(xì)菌應(yīng)對(duì)溫度變化的系統(tǒng)生物學(xué)觀點(diǎn)409
21.1　引言409
21.1.1　冷適應(yīng)機(jī)制409
21.1.2　熱適應(yīng)機(jī)制410
21.2　研究應(yīng)對(duì)溫度變化反應(yīng)的組學(xué)方法411
21.2.1　基因組學(xué)411
21.2.2　轉(zhuǎn)錄組學(xué)412
21.2.3　蛋白質(zhì)組學(xué)412
21.2.4　表型組學(xué)413
21.3　研究溫度改變時(shí)響應(yīng)的系統(tǒng)生物學(xué)413
21.3.1　全基因組范圍代謝重建與代謝建模413
21.3.2　數(shù)據(jù)整合415
21.3.3　整合表達(dá)數(shù)據(jù)與代謝建模以研究溫度改變反應(yīng)415
21.4　P.haloplanktisTAC125研究案例416
21.4.1　模型概述416
21.4.2　代謝模型的測(cè)試417
21.4.3　冷休克反應(yīng)的研究418
21.5　結(jié)論420
參考文獻(xiàn)420

第二十二章　極端微生物的實(shí)驗(yàn)微生物進(jìn)化424
22.1　實(shí)驗(yàn)微生物進(jìn)化理論及在模式生物中的應(yīng)用424
22.2　實(shí)驗(yàn)微生物進(jìn)化的相關(guān)技術(shù)426
22.2.1　極端微生物基因型和表型進(jìn)化的高通量方法426
22.3　極端微生物的實(shí)驗(yàn)進(jìn)化427
22.3.1　極端微生物的特殊挑戰(zhàn)427
22.3.2　極端微生物的培養(yǎng)和菌種保存427
22.4　極端微生物實(shí)驗(yàn)微生物進(jìn)化實(shí)例428
22.4.1　極端嗜熱厭氧菌Thermotogamaritima基因缺失的形成429
22.4.2　古菌Sulfolobussolfataricus硫化葉菌及其插入序列元件的作用430
參考文獻(xiàn)432

第二十三章　固相結(jié)合多肽：在生物技術(shù)中極端微生物催化劑的固定化策略436
23.1　引言436
23.1.1　蛋白質(zhì)固定化437
23.2　利用固相結(jié)合多肽進(jìn)行固定化439
23.2.1　固相結(jié)合多肽在生物催化上的用途440
23.2.2　硅結(jié)合固相結(jié)合多肽442
23.2.3　用于硅結(jié)合固相結(jié)合多肽的基質(zhì)444
23.2.4　硅結(jié)合固相結(jié)合多肽作為嗜熱酶融合蛋白的一部分446
23.3　對(duì)于利用固相結(jié)合多肽固定化熱穩(wěn)定酶的展望451
23.3.1　合成生物學(xué)451
23.3.2　生產(chǎn)生物燃料453
23.3.3　氣相催化和CO2捕獲454
23.4　結(jié)論456
參考文獻(xiàn)457

第二十四章　嗜冷酶結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的分子動(dòng)力學(xué)研究464
24.1　嗜冷酶的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)柔性464
24.2　局部結(jié)構(gòu)柔性與酶的適冷性465
24.3　蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的集合描述和動(dòng)力學(xué)的重要性465
24.4　蛋白質(zhì)分子動(dòng)力學(xué)模擬：概述、局限性和優(yōu)勢(shì)466
24.5　適冷酶的折疊漏斗模型468
24.6　結(jié)構(gòu)需求470
24.7　適冷酶的分子動(dòng)力學(xué)模擬回顧470
24.8　以同一蛋白質(zhì)家族為中心的適冷/適溫酶的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)比較研究474
24.9　未來前景475
參考文獻(xiàn)475

第二十五章　嗜鹽桿菌表達(dá)系統(tǒng)表達(dá)惡性瘧原蟲環(huán)子孢子蛋白479
25.1　引言479
25.2　材料與方法480
25.2.1　P.falciparum3D7菌株CSP基因的設(shè)計(jì)及克隆480
25.2.2　表達(dá)菌株的構(gòu)建及培養(yǎng)480
25.2.3　蛋白質(zhì)印跡法分析482
25.2.4　蛋白質(zhì)組學(xué)分析482
25.3　結(jié)果483
25.3.1　含優(yōu)化CSP基因的鹽桿菌表達(dá)菌株的構(gòu)建483
25.3.2　P.falciparumCSP基因在鹽桿菌中的表達(dá)483
25.4　討論484
參考文獻(xiàn)485

索引488