| 词条 | 激烈火球菌 |
| 释义 | 分类科属激烈火球菌，学名：Pyrococcus furiosus 域：古菌域Archaea 界：广古菌界Euryarchaeota 门：广古菌门Euryarchaeota 纲：热球菌纲Thermococci 目：热球菌目Thermococcales 科：热球菌科Thermococcaceae 属：火球菌属Pyrococcus 种：激烈火球菌P. furiosus（Erauso et al. 1993） 简介Pyrococcus furiosus是由G. Fiala 和K.O.Stetter（1986）两位科学家发现的最适生长温度（Topt）达100℃的严格厌氧的异养型海洋生物。Pyrococcus在拉丁文中的意思是火球（fireball），可以看出该菌为球形且生长温度极高；furiosus的意思则是快速的（rushing），即这种菌复制繁殖的速度相当快。 基本特征P. furiosus为球菌，通常单一或成对出现，直径0.8~1.5μm，革兰氏染色呈阴性，具有单端丛生鞭毛，无复杂的细胞器，有古菌域中最大且蛋白质含量最高的核糖体。其有机体外包被着一层糖蛋白（细胞壁），据此可与细菌加以区别。它是一种绝对的厌氧菌，以S作为电子的受体而非O2。此菌以有机物作为碳源和能量的来源，属于化能异养型微生物。该菌为古菌域中的一种极端物种，在极端高温（比热球菌属Thermococcus的嗜高温菌thermophiles的生存温度要高）的环境中能够正常生长，最适生长温度为100℃，因而又被称为嗜超高温菌（hyperthermophiles）。另外，在其细胞内的一些酶中发现了生物大分子中极为罕见的钨元素。 生长环境自然条件下，因为S效应（P. furiosus的发酵主产物中有H2，当过多的H2积累时会抑制微生物的生长。但环境中有硫元素存在时，硫会和这些H2作用产生H2S，使H2浓度下降，微生物就可继续正常生长，该过程无能量产生。换言之，S可以刺激P. furiosus的生长）的影响，P. furiosus通常生活在含有硫元素的地方，如滚烫的海水中、含有硫磺质的火山附近的海底沙洲或海底的火山口。其生长的温度范围为70℃~103℃，但最适生长温度在100℃；生长的pH范围在5~9，最适生长pH值为7；最适生长的盐度大约为2%，最高可在5%，最低则为0.5%，因此可适应海水盐度的大幅度变化。 营养P. furiosus为厌氧菌，借助发酵来产生能量，主要产物为有机酸、H2及CO2，可利用的碳源是一些碳水化合物和肽类物质，不能利用氨或游离氨基酸作为氮源。它可以在酵母提取物，麦芽糖，纤维二糖，β-葡聚糖，淀粉及蛋白类物质（胰化蛋白胨，蛋白胨，酪蛋白，肉浸膏）上生长良好，而在氨基酸，有机酸，乙醇，以及大多数碳水化合物（包括葡萄糖，果糖，乳糖和半乳糖）上生长缓慢甚至不能生长。高浓度H2可抑制其生长，故通常加入硫元素。科学家们利用SME培养基加入酵母提取物和蛋白胨来培养P. furiosus。一般来说培养过程中不会添加钨元素，但其细胞内特有的酶——钨酶可使该菌在有钨的情况下生长较好，这是和代谢路径有关的。 基因组及稳定性维持P. furiosus的全基因组序列于2001年被马里兰大学生物技术研究所的科学家们测定完成。马里兰小组发现，其基因组全长1908kb，负责编码2065种蛋白质。DNA中（G+C）mol %大约为50%。 该菌具有维持染色体在高温甚至是103℃稳定度的能力，上限是103℃，因为其细胞内具有特殊的蛋白质，此种蛋白质与一般蛋白质显著不同的是其他蛋白质在60~70℃就会变性，而它却可以在100多度比较稳定。这种蛋白质可以和DNA或RNA结合，修饰DNA或RNA使其可在高温下保持稳定而不裂解。 P. furiosus对UV具有抗性。高剂量的UV对一般生物而言是有致病性的甚至是致突变潜力的，可能会对DNA造成伤害，但火球菌属的菌对UV有抗性，因为它们可以通过增强NAD（P）H鸟嘌呤氧化还原酶（一种强大的抗氧化酶）的活性，保证细胞不受氧化的胁迫和毒害。 此菌还具有快速且系统性的DNA修补机制。其修补机制有两种，一种是通过光激活酶系统，修复DNA上突起的二聚物，直接将其分开称为两个正常的碱基对；另一种机制则是核苷酸切除修复，可以把DNA上突起的二聚物用酶切除，再进行修补。 生理代谢丙酮酸代谢途径P. furiosus能够将丙酮酸发酵为醋酸、CO2和H2，其中只包括三种与丙酮酸代谢相关的酶，即：铁氧还蛋白氧化还原酶、氢化酶和乙酰CoA合成酶。 高温糖酵解途径研究表明，P. furiosus还可以利用麦芽糖、纤维二糖等作为碳源和能源生长。这些底物首先转化为葡萄糖，然后靠经过修饰后的ED途径将其降解为丙酮酸和H2，并释放出能量，随后丙酮酸再进一步分解。这一途径的特征是：葡萄糖通过非磷酸化中间体转化为甘油醛和丙酮酸，甘油醛进一步转化为丙酮酸。其关键酶是KDG醛缩酶、甘油醛脱氢酶和甘油酸激酶。P. furiosus等古核生物的糖转化不包括磷酸中间体，这一点区别于所有其他糖酵解途径。 糖异生途径Schafer和Schonheit研究了P. furiosus在丙酮酸生长的糖异生途径，即从丙酮酸形成6-磷酸葡萄糖的途径，从丙酮酸培养的P. furiosus的细胞抽提物中检测到了糖异生所需各种酶的活性。P. furiosus作为超高温古核生物被认为是最古老的生物之一，其细胞内存在糖异生途径酶的存在表明该途径是在生物进化的早期出现的，在生命三域（three domains）多样化之前就已进化形成。 L-丙氨酸的形成研究表明，P. furiosus能够以三种不同的方式利用高温糖酵解产生的电子：（1）S还原为H2S（当有硫存在的时候）；（2）通过氢化酶使质子还原为H2；（3）丙酮酸还原氨化为L-丙氨酸。而L-丙氨酸的形成是通过丙酮酸和谷氨酸的转氨作用实现的，因此谷氨酸的补充是必须的，而且这种补充还将完成电子的转移。已经证明P. furiosus含有很高水平的谷氨酸脱氢酶，在其抽提物中有高达21U/mg的专一酶活。这种特殊的丙氨酸形成支路的存在，使得P. furiosus可依据电子受体的氧化还原电位（潜力）调节它的发酵，通过特有的分枝从丙酮酸形成L-丙氨酸来平衡它的代谢。 钨对代谢的影响钨在生物系统中是一种罕见的元素，但对P. furiosus等海洋古生物的生长和代谢有重要的影响。研究表明，将微量水平的钨（以钨酸盐形式）添加到只有麦芽糖而没有肽作为能源的限能恒化器培养物中时，P. furiosus细胞得率明显增加，且细胞抽提物中醛铁氧还蛋白氧化还原酶（AOR，一种钨-铁-硫蛋白）专一酶活也显著增加。据此有人提出，AOR和其他新酶即葡萄糖-铁氧还蛋白氧化还原酶和丙酮酸-铁氧还蛋白氧化还原酶是一种新的糖酵解途径，被称为高温糖酵解途径的一部分。钨不仅影响麦芽糖的作用，还影响胞内解朊酶活性。资料显示，麦芽糖和钨在高温糖酵解途径的启动中起到重要作用，但目前还不知道P. furiosus中是否还有其他途径受钨的影响。 繁殖P. furiosus以其极快的分裂速度而著称。在最适培养条件下，它繁殖一代的时间仅为37分钟。这就意味着每隔37min，其个体数目就会增加一倍，形成了一个呈指数增长的生长曲线。 PfuDNA聚合酶PfuDNA聚合酶（Pfu DNA polymerase），又称Pfu聚合酶，是在P. furiosus内发现的一类能在活体内进行DNA复制的酶，该酶与其他生物的DNA聚合酶无相关性，且蛋白质之间没有明显的同源序列。Pfu聚合酶具有较好的热稳定性以及较强的3’→5’核酸外切酶活性，故在聚合酶链反应（polymerase chain reaction，PCR）中，使用Pfu聚合酶可以快速，高保真的扩增DNA片段。与其它在PCR反应中使用的聚合酶相比，Pfu聚合酶有着出色的校正作用，可以即时的识别并切除错配核苷酸，是现今所描述过的所有热稳定酶中精确度最高的一种。商业化的Pfu聚合酶试剂，其出错率大约为10每个碱基对，因此常被应用于高精度的PCR，如克隆、基因表达和突变分析等。但Pfu聚合酶的效率较低，一般来说，在72° C扩增1kb的DNA时，每个循环需要1到2分钟。另外，使用Pfu聚合酶进行PCR反应时，会产生平齐末端的PCR产物，而平齐末端间的连接是将两个带有平齐末端的DNA分子用DNA连接酶使之连接的过程，这种连接过程比粘性末端DNA分子间的连接率要低。 |
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