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    海洋是孕育生命的摇篮,蕴藏着极其丰富的微生物资源,具有非常广阔的研究和应用前景。海洋本身也是一个多样化的生态系统,既包括因深度和透光性而造成的水层差异,也包括海底热液区、冷泉区、近海岸的红树林和温泉等特殊生态系统。
    由于生态系统的多样性,从海洋微生物中分离的活性物质具有普通陆地微生物所不能比拟的性质,如热稳定性、耐盐性、pH稳定性,以及对化学和物理变性剂、有机溶剂的抗性等。这些性质不仅可做为设计和改造酶类的依据,而且在工业生产中极具应用价值。

琼脂酶              内切纤维素酶               蛋白酶               木聚糖酶

    琼脂酶是一种能降解琼脂成为琼脂寡糖的一种酶类。很多海洋微生物可以利用自身产生的琼脂酶来降解海藻作为碳源。在实际生产中,琼脂酶可用来水解海藻细胞壁获取不饱和脂肪酸、维生素、类胡萝卜素等生物活性物质。通过培养筛选,我们获得了多株产琼脂酶菌株,并克隆表达了其琼脂酶基因,酶活分析显示该琼脂酶酸碱稳定性较好,具有工业化应用价值。而纤维素酶则是另一种具有广泛应用价值的酶类,在食品、饲料、医药、纺织、洗涤剂和造纸等众多领域发挥着重要作用。在能源领域,利用纤维素酶水解秸秆等农业废料,产生葡萄糖,用于发酵产生乙醇,替代日益紧张的化石燃料资源,已经成为一个热门研究领域。根据红树林生态系统的特点,我们从红树林中富集得到了多个纤维素降解菌群,并从中克隆了纤维素酶的基因,该纤维素酶具有了独特的耐盐和碱激活特性。
    随着研究的深入开展,生活在海洋极端环境下的微生物已成为人们日益重视并利用的微生物资源。嗜热微生物作为其一个重要的组成部分,由于生长环境的极端特殊性,使得它们具有了一套独特的酶系统和防御机制来适应这种对大多数生物来说是难以生存的环境。它们细胞和酶蛋白独特的耐热性和与之相适应的分子结构,使之成为了人们开发利用的重要生物资源。更为重要的是,嗜热微生物在生物系统进化中具有特殊地位,蕴涵着生命进化历程的丰富信息,对其环境适应性机理等生理特征的研究,将对研究生命的起源,进而揭示生命现象的本质具有重要的意义。

         

                                         海滨温泉                                                                深海热液喷口
    利用细菌全蛋白分析、RAPD 分析、16S-23S rDNA间隔区分析等分子生物学方法,我们从海滨温泉、深海热液区等高温极端环境中培养分离得到了多株的嗜热细菌与嗜热古菌,其中包括了多株新菌,如Thermohalophaga xiamenensis Hs1。从呱伊玛斯深海热液口沉积物中我们分离到一株超嗜热厌氧古菌Thermococcus sp. 4557。其生长温度范围为50℃~83℃,最适生长温度80℃;生长pH范围为5.0~8.3,最适生长pH为6.5。利用Solexa技术我们对Thermococcus sp. 4557进行了全基因组测序,该菌株的基因组由一个环状染色体构成,总长2.01 Mb,GC%含量为56.08%,预测有2,194个基因。比较基因组分析表明85%的基因编码蛋白与Thermococcus属其他菌株的蛋白为直系同源蛋白,该菌株保持了绝大部分该属的的基本代谢特点和环境适应性机制。

Thermococcus sp. 4557的形态及其基因组

    从嗜热微生物中分离的活性物质具有常温菌所不能比拟的的性质,如热稳定性、以及对化学和物理变性剂、极端pH等不利因素的抗性等。SOD是生物机体抗氧化系统中很重要的一个酶组份,能效地消除超氧自由基以避免引起氧中毒,从而具有抗炎症、抗辐射、抗衰老等作用。我们从嗜热菌Rhodothermus sp中克隆获得了SOD,该酶具有较高的酶活性和很好的热稳定性。另外,我们还分别从Thermococcus sp. 4557中获得了扩增能力强,保真性好的DNA聚合酶和具有淀粉水解活性的环糊精葡萄糖基转移酶。
    生物样品来源是海洋微生物研究的关键。除了选取一些典型的生态环境,如海滨温泉、红树林等,课题组成员还多次参加了由中国大洋协会组织,大洋一号执行的环球科考,获得了太平洋、大西洋、印度洋等各大洋的珍贵样品和数据,为深海基因遗传资源研究提供了丰富的研究材料。

 

 

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