今天与大家分享一篇清华大学陈国强教授和他的科研团队2015年发表在 Biotechnology Advances杂志上的一篇关于嗜盐微生物应用的综述文章,主要介绍了嗜盐微生物在工业生物技术中的应用。文章引用信息如下:
工业生物技术的主要目标是生产各种化学制品、化工材料和生物燃料,以缓解石油短缺。由于生物技术自身存在一些缺点,如:灭菌过程产生的高能耗、高淡水消耗、易污染很难实现连续发酵、高昂的不锈钢发酵设施购置成本以及和发酵底物的竞争性,导致工业生物技术和化学工业相比,竞争力相对较弱。
嗜盐微生物由于其自身独特的嗜盐特性,通常能够耐高温、耐高盐、耐高pH,使其能够在无需灭菌的情况下实现连续发酵,因此克服了生物技术自身的很多缺点。与此同时,许多基因操作的方法也逐渐应用到嗜盐微生物的开发中。
目前,嗜盐菌已经被广泛用于工业生产各式各样的产品。很多嗜盐微生物(如Halomonas)能够大量积累生产聚羟基烷酸酯(PHA),一种可替代石油基塑料解决白色污染问题的生物塑料,可以应用于人造骨钉、药物载体、人造血管、软骨、瓣膜、薄膜、缝合线等医用植入材料高附加值领域,具有广阔的市场前景;一些嗜盐微生物(如Chromohalobacter salexigens等)能够合成依可多因(ectoines),一种哺乳动物细胞和皮肤保护剂,可以用于化妆品行业、生物医药领域;基于独特的生长环境,一些嗜盐微生物(如Halobacillus等)能够生产某些生物酶类物质,这些酶通常可难受高盐、高温、高酸碱性;除此之外,有一些嗜盐微生物(如Acinetobacter等)还能够生产各种生物表面活性剂、抗菌肽、糖聚合物、色素,在生物医药等领域发挥着至关重要的作用。
图1 利用嗜盐菌进行化学制品、化工材料和生物燃料低成本合成示意图
嗜盐微生物有着广阔的工业应用前景,由于相溶物质(compatible solutes)的不断积累改善了蛋白质的溶解性和折叠程度,因此是可溶性重组蛋白表达的理想宿主。目前利用载体、促进剂和诱变方法等遗传工具来表达外源基因方面已取得了很大进展。
表1 应用于嗜盐微生物的遗传工具及面临的挑战
由于系统和合成生物学以及基因组测序技术的快速发展,越来越多的嗜盐微生物的全基因组序列已经被公布,这有助于人类更好的了解嗜盐微生物。利用合成生物学的方法构建优化新的代谢通路,使嗜盐微生物更加广泛的应用到工业生物技术中。
表2 部分已经公布全基因组序列Halomonas菌株
亚洲区域卤虫参考中心微生物实验室拥有分离自世界各地高盐环境的嗜盐细菌和古菌10余属、50余株。目前利用嗜盐细菌Halomonas大规模发酵已经实现PHB的高效积累,并将菌体PHB应用到水产育苗和病害防控中,取得良好养殖效果。此外,红色嗜盐古菌Halorubrum, Haloarcula, Haloferax发酵生产菌红素等类胡萝卜素及其生物活性的研究正在进行中。
翻译整理:亚洲区域卤虫参考中心 王振乾