极端环境微生物

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  地球上鲜有不毛之地。冰川沙漠、温泉、海底、高盐环境、地幔的岩石……即使是这些恶劣的环境,也有所谓的极端环境微生物构成的丰富的生物多样性。对它们的研究揭示了不同于细菌和真核生物的第三种生命形式。这些称作古菌的有机体在环境中大量存在。它们与我们的细胞存在进化上的关联,代表了理解复杂的细胞过程的起源与运作的独特模型。在其他生命形式都无法存活的温度、压力或盐度条件下,极端微生物采取不同策略以维持其细胞结构的完整性。对它们的研究揭示了生物在“艰苦的”生态系统中开疆扩土的能力。目前,人们正在开发它们性质独特的酶,以用于清洁可持续的工业进程。

1. 极端微生物的生物多样性

  土壤与海洋微生物主导着我们的星球[1]。它们在调节主要的地球化学循环中扮演重要角色,并可能为未来的技术提供新型生物催化剂。但由于微生物学仍然局限于人类健康,我们对生物多样性的了解仍然非常片面。只有不到1%的环境微生物能在实验室中进行纯培养。过去十年间,新工具(如可以直接分析微生物群落DNA的宏基因组学)的发展改变了我们对微生物生态系统的看法[2]【生态系统:生物(或生物群落)及其环境(群落生境)相互作用的集合,如生物、地理、土壤、水文、气候等。生态系统的特征是物种间、物种及其周围环境的相互作用,生态系统各组分间支持其生存的物质和能量流动,和久而久之建立的稳态与进化的动态平衡】。得益于这些新技术,我们发掘了曾被视为不毛之地的环境。尽管这些环境的物理化学条件很极端,但它们具有丰富的微生物生命形式[3]

环境百科全书-极端环境微生物-不同极端环境摄影图
图1. 不同极端环境摄影图。右上:大西洋3000米深的洋脊上的洛加切夫热液区。左上:亚速尔火山热液泉。左下:南极冰雪环境。右下:安第斯山脉的高盐湖泊。
[Photos © Ifremer法国海洋开发研究所]

  由此,火山热液泉在深海生命绿洲的底部有惊人的生物多样性(图1)(见焦点“黑烟下的生态系统”)。大型盐湖或死海等高盐环境也充满了微生物,它们只有在其他任何生命形式都无法忍受的盐浓度中才能生长。冰川和极地环境同样也有大量微生物群体。此外,在海底、沉积物和地层深层中同样有极丰富的微生物群落。据估计,80%的陆地生态系统持续暴露于5℃以下的环境中,且常处于高压条件下。因此,在全球尺度上,极端微生物不能再被视为生命的例外。

  人们对极端微生物在生态系统中的作用(包括气候调节)知之甚少。最近的研究表明,它们对温室气体的产生和主要的碳、氮和硝酸盐循环的贡献是不容忽视的。通常,它们的基因组中包括90%以上的编码未知功能蛋白质的基因。为什么会这样呢?生物大分子必须使自己适应于这些极端环境特有的物理-化学环境、营养和能量资源。这些环境限制可能导致新的代谢途径的出现,这些途径使用的底物和辅助因子与“传统”生物体所使用的不同。

2. 古菌的发现:革命性事件

环境百科全书-极端环境微生物-生物进化树的三域组成
图2.生物进化树的三域组成:细菌域、古菌域和真核生物域
BACTERIA细菌域,cyanobacteria蓝细菌,heterotrophic bacteria异样细菌,EUKARYOTA真核生物域,fungi真菌,animals动物,plants植物,chromists茸鞭生物,alveolates,rhodophytes,flagellates,basal protists,ARCHAEA古菌域,halophiles嗜盐菌,thermophiles嗜热菌

  许多极端环境有机物是古菌,古菌是分子特征明显区别于众所周知的两种生命形式细菌和真核生物的一类微生物(图2)。这第三种生命形式是在1990年由美国生物学家卡尔·乌斯(Karl Woese)首先提出。乌斯尝试以核糖体RNA为分子标志物重建整体的生命进化树。自那之后,鉴定到的新型古菌数目不断增加,及对古菌基因组的鉴定,都证实了乌斯的理论[4]。作为和细菌(图3)一样没有细胞核的单细胞生物,古菌有其鲜明的特征。它们有自己的病毒。更令人惊讶的是,有些古菌能够与海绵等复杂有机体共生【共生:两个属于不同物种的有机体之间建立的亲密、持久的联系,二者都从中受益。参与共生的有机体称为共生体,最大的共生体可称宿主】。古菌在肠道微生物中也有发现,它们对人类健康非常重要(见《人类微生物:健康的盟友》)。目前尚未在古菌中鉴定到病原体,但已证实其与特定疾病或代谢紊乱有关(如肥胖等)。古菌和细菌的进化和扩张同样复杂。古菌与真核生物的进化关系惊人的接近。有些假说认为,古菌在进化树上位于真核生物起源处[5](见《共生与进化》)。

环境百科全书-极端环境微生物-热液底极端嗜热菌电镜图
图3. 热液底极端嗜热菌电镜图:弗米克兰热球菌(Thermococcus fumicolans)
[显微图片 © Ifremer]

  古菌似乎特别适于在地球上已知最极端的环境中生长。因此,人们最初认为它们多样性极低,只存在于火山热液和高盐湖泊处。这种最初的观点完全是有偏见的。分子生态学研究表明,在所有陆地环境中都有大量的古菌系。事实上,我们正在发现越来越多“非极端环境”古菌,它们可能占海洋和土壤微生物的25%[3]。因此,它们不应再被视作一种边缘、古老或原始的生命形式。

环境百科全书-极端环境微生物-人类蛋白酶体的分子结构
图4. 人类蛋白酶体(绿色)的分子结构,该蛋白酶体是一种参与癌症的分子机器。其在古菌中对应的结构以红色表示。

  古菌世界的发现意义重大,但其重要性仍未得到充分认识。这一发现改变了我们将生物分为原核和真核生物的观点。对古菌进化的研究提出了解释出现细胞生命的新思路[6]。尽管古菌是没有细胞核的单细胞生物,但它们与包括人类细胞在内的真核细胞有许多相同的生命过程[7]。越来越多的证据表明,古菌可以作为分子生物学的模式生物。事实上,研究人类细胞中的大型细胞机器一直非常困难。在实验室中很难纯化细胞机器或控制其活动。在古菌中发现的同源系统提供了一种更稳定易得的简化视角。此外,它们可以在极端环境中生长的特性使其能更好地被激活或抑制。这些优势加上近年来基因工具的发展,使得古菌成为研究整合生物学(综合体内研究、生物化学研究、生物物理学研究和结构生物学研究)的极佳模型。这些研究首次确定了许多细胞机器的结构,是包括抗肿瘤药物在内的许多药物的来源(图4)。

3. 极端环境微生物与生命的极限

  想要要生长,生物体需要

  • 碳源,生物大分子的基本元素;
  • ,蛋白质行使功能最常用的溶剂;
  • 能量,生物行使功能运作所必需。

  能量经由光、电子供体元素(如金属)、酶催化化学键断裂等途径提供。在一直被认为是不毛之地的环境中发现了微生物群落,表明生命能够生长的物理化学极限远比人们从前认为的范围大得多。这些被称为极端微生物的有机体并没有处于“挣扎着生存”的状态,而是真的需要在人们认为极度艰苦的环境才能生长[8]

  在热液泉(见焦点“黑烟下的生态系统”)中,那些被称为“嗜热菌”或“超级嗜热菌”的古菌和细菌只有在高温下才能得到最好的生长,有时环境温度会超过110℃。有些分离自海底(如马里亚纳海沟)的嗜压菌,需要在20MPa以上的压力环境中生存[9]。在海底、湖泊和冰川环境中,“嗜冷微生物”只能在15℃以下,甚至低至-12℃的环境中生长[10]。在高盐环境中,由于自由水大多结合盐离子,因而十分稀少。结果就是:细胞被破坏,蛋白质变性。然而,所谓的“嗜盐”有机体具有独特的生物化学特性,可以在严重脱水状态下保持细胞的完整性[11]。热液泉、地层流体或高盐环境通常表现出极端的pH条件(0和13)。因此,绝大多数生活在那里的有机体具有多种嗜性。

  除了极端和经常大幅波动的物理-化学环境,极端微生物还面临多种环境压力,如辐射或重金属。这些物质产生自由基,破坏DNA和蛋白质。绝大多数极端微生物有DNA修复系统和蛋白质循环系统,使它们能够抵抗高达10,000戈瑞的辐射剂量。极端微生物研究是让我们不断反思环境能源开发的另一生命科学前沿。由此,极端环境微生物似乎特别适合应对极低能量和/或营养流动导致的生存压力。因此,有些极端微生物在海洋泥沙深处或地幔内数千公里处缓慢地存活和生长[13]

环境百科全书-极端环境微生物-木卫三内部结构示意图
图5. 木卫三内部结构示意图。根据美国国家航空航天局的报道,冰层下100公里深的盐海。
[来源:Felicia Chou, 美国国家航空航天局]
Ganymede Interior木卫三内部,Ice crust冰地壳,Saline ocean盐海,Ice mantle冰地幔,Rocky mantle岩石地幔,Iron corn铁核心

  古菌,或更宽泛的极端微生物的发现和研究,改变了我们对地球可居住性的观念。它们指导了我们在其他星球上寻找可能的生命痕迹的想法[13]。例如,在智利的阿塔卡马沙漠,人们发现了能存活于干旱和寒冷环境中的微生物。嗜盐有机体可以在-15℃的环境中生长。还有与高压环境密切相关的微生物,在发现火星上的液态盐水、土卫和木卫(如木卫二和木卫三)上的深海和热液活动后(图5),高压环境的微生物也是值得进一步思考的有趣观察。

4. 极端微生物如何保持生物功能?

  维持生物膜的稳定和正常功能,是细胞在极端温度、压力或盐度环境中生存的首要条件。膜结构对产生能量和分隔生化反应至关重要。膜脂质组分的变化使其能适应影响膜流动性的高低温和高压。

  在非极端环境有机体中,暴露于“极端”物理-化学环境会使某些蛋白质失活甚至变性。极端环境适应还表现在维持细胞机器的组装和维持组成蛋白质的多肽的三维折叠。这种折叠使酶具有生化活性。理解极端环境下稳定生物大分子的机制,有助于理解包括但不限于以下三点:

(i)生物的起源和扩张能力;

(ii)影响蛋白质行使功能的基本过程;

(iii)维持细胞机器完整性的广谱细胞机制[8]

  极端微生物广泛使用的维持其细胞组分的首要策略,是在细胞质中合成并积累稳定分子结构的小分子(海藻糖、甜菜碱等)。维持蛋白质完整性和稳态还需要优化分子伴侣和蛋白质修饰系统,以阻止蛋白质聚集,协助它们折叠或触发细胞内蛋白酶的快速降解。这些蛋白质的“质量控制”系统对于嗜热和嗜冷微生物的适应力都至关重要。它们并非极端微生物所特有,而是在包括人类在内的所有生命体中都有所保留。因此,来自极端环境微生物的系统是理解应激反应、退行性疾病和衰老过程等基本机制的简化模型。

  维持生物大分子完整性的细胞机制需要细胞提供大量能量。这就是为什么真正的极端微生物的蛋白质都是高度修饰的。这些修饰在进化中经突变获得,在高温、高盐或高压条件下稳定的蛋白质。然而,将来自极端环境有机体与对应的常温环境有机体的蛋白质晶体结构的进行对比发现,二者的整体结构几乎没有差别。另一方面,选择性突变产生了极大的生物物理特性差异。例如,嗜热蛋白质在室温下即被“冻结”,其原因是分子间相互作用的优化导致大分子结构增强,使得蛋白质具有非凡的稳健性。然而,尽管维持三维结构对生物大分子正常行使功能至关重要,但是蛋白质还需有整体的动态性。有些区域必须通过移动来识别底物和辅因子,完成复杂的生物化学功能。

环境百科全书-极端环境微生物-来自超级嗜热古菌的酶晶体结构
图6. 来自超级嗜热古菌的酶晶体结构:黄-橙色区域表示酶发挥功能所必需的动态区。蓝色区域表示稳定分子体系所需的刚性区域。
[来源:Coquelle等, 2010,参考第14篇文献](Loop环,Deviation偏离角,Mobile surface loop表面可动环,Connecting region between αJ and α1GαJ和α1G间的连接区)

  通过与分子进化和模拟工作相关的结构的比较分析,确定了蛋白质结构内的关键区域(图6)[14]。在进化过程中,这些区域的氨基酸被取代。稳定力和局部动力学之间的最佳平衡使蛋白质可以在极端环境中维持其功能。分子折叠的类型多样,因此蛋白质结构适应环境限制的策略也各不相同。除了理解极端微生物,这一工作也让人们更好地理解了生物大分子的结构和酶作用的机制。当研究具有临床价值的蛋白质时,这些研究可用于开发药物。

  不同环境条件对分子结构的限制不同,导致了不同的适应性策略。因此,对于嗜热菌,主要的挑战是阻止蛋白质折叠。适应性表现为强化使蛋白质稳定折叠的力,同时在酶行使生化功能的区域维持一定的灵活性。低温主要会减慢化学反应速率。在嗜冷菌蛋白质中,适应性表现为活性位点修饰后催化效率的提高,这与其内部整体或局部放松分子内限制相关[10]。这些修饰维持了较低但足以进行细胞分裂的代谢水平。盐通过减少自由水的数量和与多肽链相互作用,影响蛋白质的溶解度,破坏引发折叠的分子内界面。然而,嗜盐蛋白质积累能使其能抵消这些效应的突变,甚至使盐离子的存在更有利于其相互作用[15]。这些组合有助于稳定结构,同时维持系统正常运作所必需的水化层。它们的适应性非常先进,以至于这些有机体的绝大多数蛋白质只在高盐环境下溶解和折叠[16]。最后,最近的研究表明,分子适应性与海底和地球地质层深处的高静水压力有关[9]。在这种情况下,存在于分子结构中的空洞大多是变化的对象。

  在“极端”环境生命相关的各种适应中,蛋白质结构的变化深刻地改变了生物系统的生化和生理过程。因此,我们认为“正常”的环境:37℃,3%盐浓度,大气压力,有氧等,对绝大多数极端微生物实际上是很严峻的。这些条件会对细胞造成压力。例如,水是嗜盐菌的致命溶剂[17]。这些有机体的细胞质中积累了接近饱和的盐溶液,以保证其蛋白质的溶解性并正确折叠。在地质尺度上,剧烈的气候变化在地球表面形成了极端环境。也因此,我们必须正确看待极端微生物的相对化的概念。

5. “极端酶”在生物技术中的作用

环境百科全书-极端环境微生物-沉积物中的嗜甲烷古菌群和硫酸盐还原细菌图
图7. 沉积物中的嗜甲烷古菌群和硫酸盐还原细菌图
[来源 © Ifremer]

  酶是一种天然产物,能高效、无污染地进行化学反应。在粮食和环境危机的背景下,需要发展仿生经济,,极端环境微生物群体的基因组中发现的新酶(称为极端酶)引起了广泛的研究兴趣[18]。的确,这些酶的强效性、在极端条件下催化化学反应的能力、有时还包括它们催化化学反应的独特性,使得它们有多种有趣的应用。如利用极端酶生产生物石油、生物材料或药物分子的生物技术。嗜盐微生物的酶能在高盐环境、有机溶剂和较广的pH条件下发挥作用。它们被用于食品加工、造纸业和纺织业。

  来自嗜热和/或嗜压有机体的嗜热酶和嗜压酶极其稳定,可用于在无菌条件下加工食品。它们可在对应于纺织、皮革、化妆品或制药工业等多种过程的物理-化学条件下使用。由于其独特性、丰度高、在极端环境中控制细菌和古菌群落动态的许多相互作用和共生关系,这些微生物很大程度上代表了未开发的基因资源(图7)。因此,基于极端环境微生物多样性的新型生物催化剂和抗生素的研究是一个迅速发展的学科,这需要发展专用的酶学和结构学筛选和鉴定平台。

 


参考资料及说明

封面照片: [来源:© Bruno Franzetti]

[1] Abdoun E. (2014) Science & Vie 1161, 70-77

[2] Banik J.J. & Brady S.F. (2010) Current opinion in microbiology 13, 603-609

[3] Cowan D.A., Ramond J.B., Makhalanyane T.P. & De Maayer P. (2015) Curr Opin Microbiol 25, 97-102

[4] Gribaldo S., Forterre P. & Brochier-Armanet C. (2011) Research in microbiology 162, 1-4

[5] Forterre P. (2015) Frontiers in microbiology 6, 717

[6] Gribaldo S, Forterre P, Brochier-Armanet C. (2008) Les ARCHAEA : Evolution et diversité du troisième domaine du vivant, Bull. Soc. Fr. Microbiol. 23(3):137-145

[7] Brochier-Armanet C., Forterre P. & Gribaldo S. (2011) Curr Opin Microbiol 14, 274-281

[8] Oger P. & Franzetti B. (2012) Biofutur 336, 36-39

[9] Jebbar M., Franzetti B., Girard E. & Oger P. (2015) Extremophiles 19, 721-740

[10] Cavicchioli R., Siddiqui K.S., Andrews D. & Sowers K.R. (2002) Current Opin Biotech 13, 253-261

[11] Oren A. (2015) Current Opin Biotech 33, 119-124

[12] Inagaki F. et al (2015) Science 349, 420-424

[13] McKay C.P. (2014) Proc Natl Acad Sci USA 111, 12628-12633

[14] Coquelle N., Fioravanti E., Weik M., Vellieux F., & Madern D. (2007) J Mol Biol 374, 547-562

[15] Madern D., Ebel C. & Zaccai G. (2000) Extremophiles 4, 91-98

[16] Vauclare P., Marty V., Fabiani E., Martinez N., Jasnin M., Gabel F., Peters J., Zaccai G. & Franzetti B. (2015) Extremophiles 19, 1099-1107

[17] Franzetti B. (2010) Biofutur, 35-38

[18] Raddadi N., Cherif A., Daffonchio D., Neifar M. & Fava F. (2015) Applied microbiology and biotechnology 99, 7907-7913


译者:于子涵          审校:王芳          责任编辑:胡玉娇


附加信息

王芳:中国科学院大学,生命科学学院,助理研究员(特别研究助理)


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: FRANZETTI Bruno (2022), 极端环境微生物, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/vivant-zh/microbes-in-extreme-environments/.

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