未开发的资源:肽和古生菌次生代谢产物的生物技术的潜力

文摘

古生菌是一群缺乏研究的领域生活的“极端”环境中经常发现的温度、盐度、和一系列其他因素。古细菌的蛋白质,如广泛的酶,已经适应了函数在这些极端条件下,利用生物技术提供有趣的活动。除了生产结构和酶蛋白,古生菌也产生一系列小肽分子(如archaeocins)和其他新颖的次生代谢物如推定地参与细胞通讯(酰基高丝氨酸内酯),可用于生物技术的目的。由于广泛的代谢产物可能有大量的生物技术生产的抗菌素,如二酮哌嗪和archaeocins,以及角色的化妆品和食品工业。本文我们将讨论小分子的多样性、肽和nonpeptide由古生菌及其潜在的生物技术的应用。

1。介绍

古生菌生物体往往在“极端”环境容许条件等其他生物不能广泛的温度从南极洲的湖泊黄石国家公园的温泉,以及条件如死海高盐或碱湖的极端pH值条件在非洲(1- - - - - -4]。由于宽容这些环境压力,从这些生物体蛋白质一直高度重视生物技术的稳定性和功能,其他蛋白质降解的能力。然而,需要进一步的研究来阐明,例如,这些极端微生物产生的代谢物是否也有类似的稳定性和功能通过化学修饰,如酰基高丝氨酸内酯羧化作用下面讨论。酶是特别感兴趣的,许多类被彻底调查如蛋白酶(5),水解酶(6),脂酶和酯酶(7]。这些酶被广泛覆盖在文献[8,9),因此本文将不讨论。

然而,除了酶已经被用于生物技术过程,最近的研究表明古生菌能产生广泛的小肽和次生代谢物,可以相当兴趣的生物技术。相对比细菌是不为人熟知,古生菌的生物合成;而维生素和代数余子式很容易产生大量的古细菌菌株,有不完整的生物合成途径可能是因为小说基因存在(10]。也是如此的代谢物研究了在这项研究中,尽管一些细菌类似物,和生物合成所需的相同基因并不存在于古生菌。尽管许多最近的研究和代谢组学等新技术的崛起,不理解关于古细菌代谢物的全部潜力。有多个用例代表这个时候整个代谢物组的一个热点,最有可能由于缺乏研究。

综述讨论古生菌产生的各种分子和他们的潜在作用和基于细菌的生物合成类似物以及这些分子可能利用生物技术获得。

2。Archaeocins

细菌广泛生产的抗菌肽和蛋白质称为细菌素,利用一系列的行业。Archaeocins抗生素肽来自古细菌被发现广泛在haloarchaea(称为halocins)和最近的硫化叶菌属(sulfolobicins)。Halocin生产被认为是普遍在附近haloarchaea [11),因此,这些分子有很大的多样性。Halocins基于大小可以分为两类:小microhalocins可以小至3.6 kDa 35大Halocins kDa [12]。这些halocins的抗菌活性也可以范围,与一些halocins影响只有近亲有狭窄的活动范围,而不是一个更广泛的活跃A4 halocin抑制增长的能力硫化叶菌solfataricus,代表另一门古菌(13]。虽然一些细菌素能够抑制古生菌(12),没有证实halocin抑制细菌,尽管有报道称,嗜盐古生菌能抑制嗜盐的细菌(14]。

一个特别相关的使用halocin纺织工业生产菌株,它使用大量的盐在制革过程中。这些条件允许嗜盐菌包括一些haloarchaea增长反过来会损害产品,和halocins用来防止这种不必要的增长(15]。

一些halocins也被认为是潜在的医疗用途。Halocin类推一直表示有潜力的治疗狗器官移植手术后的好处16]。Halocin附近生产是普遍和相对较少的完全的特点,特别是其分子多样性和不同的活动,这完全有可能其它治疗治疗可能导致从进一步的研究14]。另一类archaeocins Sulfolobicins,首次发现硫化叶菌islandicusthermoacidophile集团的一员,硫化叶菌生长在低pH值范围的2 - 4和高温65°C到85°C。硫化叶菌物种的成员crenarchaeota门而不是haloarchaea euryarchaeota门的成员。Sulfolobicins由美国islandicus能够抑制增长其他密切相关菌株的吗美国islandicus和其他硫化叶菌的物种。没有sulfolobicins反对生物活性硫化叶菌之外的门已被记录。有趣的是sulfolobicins似乎非常稳定,能够容忍pH值条件3至10.7和高温78°C (17]。Sulfolobicins由美国islandicus似乎与细胞质膜和通常不释放到周围介质(18]。

3所示。二酮哌嗪

二酮哌嗪(dkp)有时也被称为环二肽已观察到许多细菌从一个广泛的环境和haloarchaeon最近才被确认,Haloterrigena hispanica(19]。示意图说明一些已知的DKP结构如图1。目前未知多少古生菌产生dkp,建议Natronococcus occultus也是一个潜在的生产者作为生物传感器测定的结果,可以激活dkp或ahl分子19,20.]。dkp合成细菌使用两种途径,nonribosomal肽合成(nrp)或通过小说类的酶称为环二肽合成酶(cdp) [21]。目前没有功能nrp基因集群或cdp基因识别古生菌。dkp大量有用的生物活性,具有潜在的意义为工业和医疗目的,包括抗菌、抗真菌、抗病毒和抗肿瘤的活动。人类生理有关的其他活动也被审查(22]。

dkp的另一个有趣的活动是激活的能力(有时抑制)在细菌群体感应系统。群体感应是指基因组织有机体可以控制基于人口的表型表达水平,也就是说,激活高细胞密度下的表型。这些细菌群体感应系统的抑制被认为是一个潜在的治疗等一系列病原体铜绿假单胞菌感染的囊性纤维化患者(23]。也有潜在的群体感应阻滞剂使用更广泛的行业中生物膜会导致生物淤积,各种行业的问题,尤其是航运(24]。生物膜植入物也与困难和导管25),以及污染水管道系统(26]。dkp来自古生菌可能会被用来屏蔽这些QS系统为了防止这些生物膜的产生。

4所示。酰基高丝氨酸内酯

酰基高丝氨酸内酯(ahl分子)很好地描述代谢物控制一系列群体感应的表型在细菌和古生菌最近被确认。ahl分子,而主要是由革兰氏阴性细菌,也被证明与真核生物代表一个潜在的cross-kingdom信号系统(27]。重要的是要注意目前ahl分子识别Methanosaeta harundinacea有羧化作用修改以前看不见的细菌(图2);然而,这些羧基ahl分子仍然能够激活细菌生物传感器(28]。短链ahl分子通常快速降解等一系列条件下古生菌可能面临高温、碱性条件(29日),因此很可能(任何)AHL-like分子古生菌将长链或具有其他特征,促进稳定。然而,很少有人知道属性分子的羧基改性提供了在环境中当面对如此极端的条件。目前唯一已知表型AHL监管,古生菌的灯丝生产m . harundinacea(28]。一个来自极端haloalkaliphilic细胞外蛋白酶Natronococcus occultus也可能与AHL基础群体感应,但这还没有得到证实20.]。其他表型通常由细菌群体感应,然而,存在于古生菌抗菌等生产(见上图),细胞的能力,和生物膜的形成。

ahl分子和其他群体感应分子经常在胞外多糖的控制生产30.),这可能是由群体感应控制。haloarchaea和极端微生物的生物膜是特别感兴趣的生物技术由于胞外和polyhydroxyalkanoates产生在这个特定的表型。下面讨论这些分子有许多潜在的用途。

许多表型由细菌群体感应是特别感兴趣的生物修复等生物膜的表达,絮凝,酶的生产。可以更好地理解古细菌群体感应的生物修复(可能有好处28- - - - - -31日]。AHL分子由AHL合成酶合成,使用酰基组从脂肪酸合成途径通过酰基载体蛋白在细菌中ACP [32]。古生菌不仅缺乏任何传统的AHL合成酶,他们也缺乏任何机场核心计划(33),因为他们有不同的脂质生物化学细菌,有脂肪酸途径可能ACP类型的独立功能的蛋白质。在所有已知的AHL合成酶细菌GCN5乙酰转移酶家族的成员,有人建议,诗人,组氨酸激酶,AHL合成酶m . harundinacea(28]。

5。胞和Polyhydroxyalkanoates

胞(EPS)是高分子量的碳水化合物生产和发布的许多不同的微生物包括古生菌。每股收益被认为提供一个生物防护等环境的侮辱干燥,捕食或紫外线辐射(30.]。EPS古生菌的生产过程中的主要研究数据和嗜热生物组织(34]。EPS分子有很多的工业应用,如使用在食品工业中作为胶凝或乳化剂。大量的细菌EPS分子如黄原胶、农业和右旋糖酐生产工业尽管等病原体产生的这些数量粪产碱杆菌属(35]。没有已知的古细菌病原体,它可能是一个更安全的替代可以发现古生菌。

有人建议EPS产生Haloferax物种可以用来去除重金属污染环境的高盐(36]。重金属生物吸附过程的每股收益已经被记载在其他生物(37];然而,嗜盐古生菌可能具备独有的生存和生产EPS严格嗜盐的环境中来减少污染36]。

polyhydroxyalkanoates,另一个EPS组件是一种水不溶性聚合物的碳和能量存储用于细菌和古生菌。pha收到了相当多的关注生物技术作为潜在的替代石化塑料由于其结构特性和生物降解性34]。pha目前正在生产的重组大肠杆菌菌株;然而,有一些嗜盐古生菌可能是理想的建议pha的生产商。有许多的生产者pha在haloarchaea [38),这可能是最好的h . medeterrani以65%的干电池体重时PHA喂葡萄糖或淀粉39]。作为h . medeterrani需要22%盐生长最佳,有更少的需要无菌条件有一个减少污染的机会40]。需要高盐还提供了一个易于细胞溶菌作用通过改变淡水(40]。目前的研究围绕提高pha生产通过不必要的基因的敲除,如那些参与EPS生产(41]。

6。类胡萝卜素

类胡萝卜素是天然色素中常见haloarchaea和负责识别的红色色素的生物。类胡萝卜素被广泛用作食品补充剂和染色剂导致2009年估计有10.2亿美元的市场价值(42]。类胡萝卜素在人类健康中的作用仍在研究;然而,一些潜在的好处已经被识别,如预防慢性疾病和癌症等疾病(43)、慢性心脏病(44),和骨质疏松症。有许多类胡萝卜素在自然界产生的细菌,真核生物,和古生菌,尽管很少有人能够提取的化学合成或在足够高的水平,工业(42]。Canthaxanthin是一个行业所使用的类胡萝卜素作为饲料添加剂,鸡、鱼,和甲壳纲动物农场,用于化妆品。由于carnathaxin的性质和它的许多用法有继续研究在大量生产它。的嗜盐的archaeonHaloferax alexandrinus生产canthaxanthin在足够高的水平可能是考虑商业生产canthaxanthin [45]。有人建议使用h . alexandrinus有更少的关心无菌培养的高盐环境减少污染的机会。至于pha前面所描述的,使用另一个好处h . alexandrinus产生carnathaxin细胞溶解的缓解淡水使carnathaxin容易提取(45]。

7所示。生物表面活性剂

生物表面活性剂是由各种各样的生物表面活性剂产生包括古生菌和糖脂的混合物,脂肪酸,蛋白质和糖。生物表面活性剂表现出很多优点与传统化学提取表面活性剂生物降解,无毒,可再生,活跃在各种极端条件下(46]。生物表面活性剂可以帮助生物修复土壤中石油泄漏和水样本,以及一系列的其他用途的食品(47),化妆品和制药行业。嗜盐古生菌几件物品已经被确认生产生物表面活性剂在盐浓度最高的记录48]。一个物种的Natrialba从太阳能盐场孤立在阿尔及利亚发现生产生物表面活性剂(49)这是构成蛋白质的糖和脂质包括鼠李糖脂、醣脂类的类已经建议用于生物修复(50)、化妆品(51]。这是建议Natrialba物种或帮助其他嗜盐古生菌可能是一个理想选择的生物修复石油泄漏在盐水和高盐环境中,这可以通过工业过程(经常被污染49]。

8。吩嗪

吩嗪是天然化合物通常由细菌属等假单胞菌和链霉菌属并以多种生物活性,如抗菌、抗寄生虫、抗肿瘤效应(52]。虽然有各种各样的细菌产生吩嗪,还有一个吩嗪(methanophenazine)由一组甲烷八叠球菌属包括甲烷八叠球菌属mazei(53]。这样的一个例子吩嗪结构如图3。这methanophenazine似乎发挥重要作用在生物体的代谢作为电子载体,与大多数其他通常被认为是次级代谢物的吩嗪(53]。还不知道吩嗪生产古生菌是有限的对m . mazei或者更普遍。吩嗪的合成细菌通常源于nonribosomal多肽合成,一个进程负责许多次生代谢产物和天然产品,不过正如上面提到的,没有已知的nrp系统中发现古生菌。

9。有机溶质从古生菌

有机溶质,也称为osmolytes,兼容的溶质和osmoprotectants小分子,协助微生物生存盐水条件。生物技术的有机溶质有几个建议使用防腐剂或不同种类的酶和其他有机分子以及其他潜在的角色比如化妆品(54]。有机溶质被广泛使用的所有三个王国;杜氏盐藻的藻物种,使用甜菜碱和细菌ectoine和甜菜碱是最常见的55]。在古菌有几组生产有机溶质如嗜盐的产甲烷菌产生一系列有机溶质(56]。小说类的有机溶质、2-sulfotrehalose haloalkaphiles如被发现n occultus(57),后来发现等其他相关物种Natrialba magadii和Halalkalicoccus jeotgali(58]。超嗜热菌也产生一系列兼容的溶质被认为是潜在有用的海藻糖等行业产生的成员硫化叶菌属可用于哺乳动物细胞的冷冻保护剂,以及在化妆品和食品行业的角色(59]。其他的例子如双甘油磷酸生产的Archaeoglobus fulgidus(60]或di-myo-inositol磷酸海床furiosus被认为是蛋白质在高温稳定剂。

10。结论

而古生菌显然缺乏传统等天然产物生物合成基因簇nrp,古生菌仍然显示的代谢产物多样性。尽管一些代谢物由古生菌已经在使用,其他需要更多的研究和开发应用程序变得明显之前和/或经济可行。尽管如此,古生菌代表一个尚未开发的资源领域的天然产物的发现,可能会导致许多行业领域如果充分的利用。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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