嗜热菌是怎样炼成的.pdf
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1、 Univ.Chem.2023,38(7),147151 147 收稿:2023-05-22;录用:2023-06-23;网络发表:2023-07-05*通讯作者,Email: 基金资助:南京大学百位名师邀约项目;南京大学国际化课程建设项目;南京大学短期国外专家项目 科普 doi:10.3866/PKU.DXHX202305063 嗜热菌是怎样炼成的 嗜热菌是怎样炼成的 黄日帆,周敏宇,陈建成*南京大学化学化工学院,南京 210023 摘要:摘要:在遥远的细菌古国,突然降临的高温无情地夺走了细菌们的生命。危难当前,细菌国王修炼起“嗜热神功”来提高细胞膜和蛋白质的耐高温性,并率领族人登上“诺亚方
2、舟”以实现繁衍生息。细菌们在适应高温的同时也爱上了高温,成为了“嗜热菌”。通过与人类科学家的合作,嗜热菌们在工业生产等领域发挥了巨大作用,发现了实现自我价值的“新大陆”。关键词:关键词:嗜热菌;蛋白质刚性;G-C碱基对;化能合成作用;多聚酶链式反应(PCR);生物发电 中图分类号:中图分类号:G64;O6 How Thermophiles Were Tempered Rifan Huang,Minyu Zhou,Kin Shing Chan*School of Chemistry and Chemical Engineering,Nanjing University,Nanjing 21002
3、3,China.Abstract:In the distant ancient kingdom of bacteria,high temperatures that suddenly came up mercilessly took the lives of bacteria.In the face of disaster,the King of Bacteria was determined to practice the“thermophilic magic skill”to improve the heat resistance of its cell membrane and prot
4、ein,and led its group to board the“Noahs Ark”to achieve the reproduction.Bacteria not only adapted to high temperature but also fell in love with it,becoming“thermophiles”.Through collaboration with human scientists,thermophiles have played an important role in industrial production and other fields
5、,discovering a“new continent”for realizing their own value.Key Words:Thermophile;Protein rigidity;G-C base pair;Chemosynthesis;Polymerase chain reaction(PCR);Biogeneration 在遥远的细菌古国,一场可怕的灾难正在降临。随着一声巨响,水下的大地突然撕开一道巨大的裂口,暗红色的岩浆喷涌而出,犹如魔鬼的手臂向外挥舞,地热能源源不断地释放出来。因过热而形成的大量气泡,正将水面搅得支离破碎。滋润的泉水环境霎时间变成了炼狱般的存在。面对惨不
6、忍睹的情形,细菌古国的国王倒吸一口冷气:“对我们细菌来说,这无疑是灭顶之灾啊!随着泉水温度的升高,我们将承受不住高温的炙烤,到那时,整个细菌古国将不复存在。”于是细菌国王火速召集了所有大臣商量对策。大臣们在会议桌上激烈地讨论着,从白天直到深夜,但还是没能想出办法。正当众细菌一筹莫展之际,一位德高望重的细菌大臣敲了敲手中的手杖示意大家安静:“我曾经在进化圣经中读过化险为夷之法。书中记载:唯有修炼嗜热神功,登上诺亚方舟,发现新大陆,方能适应高温,繁衍不息。我已迟暮,心有余而力不足,拯救细菌古国的使命就落在你们身上了。切记,上帝关上一扇门的同时,也会留下一扇窗。”148 大 学 化 学 Vol.38
7、 话音刚落,细菌们纷纷起身鼓起掌来。细菌国王明白,这是最后也是唯一一个办法了。肩负着拯救细菌古国于水火之中的重任,细菌国王踏上了它漫长而艰辛的征程。1 凝神突破自我,磨难锻就嗜热 凝神突破自我,磨难锻就嗜热 灾难发生的第二天,细菌国王起了个大早。昨夜下令去藏经阁找来的嗜热神功正静静地躺在桌案上。翻开秘籍,抚摸着泛黄的扉页,细菌国王内心激动不已,细菌古国终于有救了!细菌国王手中的嗜热神功主要由上下两卷组成,一卷名为“金钟罩铁布衫”,另一卷名为“金刚不坏之身”。前者修炼的是“嗜热细胞膜”,后者修炼的是“嗜热蛋白质”1,2。细菌国王决定先修炼“金钟罩铁布衫”,以增强细胞膜的刚性来获得抵抗高温的本领。
8、细菌的细胞膜主要由磷脂双分子层构成,所以首要任务是降低磷脂分子的流动性。细菌国王发现,大部分磷脂分子含有不饱和脂肪酸,其中的双键通常为顺式,使脂肪链中产生30角的弯曲,导致磷脂分子因交错而松散。此外,有些磷脂分子中的脂肪链较短,磷脂分子运动灵活性很高。但今时不同往日,在常温下的“铜墙铁壁”一碰到高温就变成了“断壁残垣”。他不得不舍弃大部分的磷脂分子,向细胞膜中添加含饱和脂肪酸更多、磷脂酰烷基链更长、侧链更丰富的磷脂分子3(图1a)。果不其然,在脱胎换骨之后,细菌国王对高温的耐受能力有了显著提升。图图1 嗜热细菌 嗜热细菌(a)采用更饱和的磷脂增强细胞膜,通过形成二硫键采用更饱和的磷脂增强细胞膜
9、,通过形成二硫键(b)、离子键离子键(c)等措施增强其蛋白质热稳定性等措施增强其蛋白质热稳定性 在外修取得重大进展的同时,信心满满的细菌国王也没有忘了内炼。他决定接着修炼第二类神功,即“金刚不坏之身”,以此稳固体内的蛋白质,维持正常的生命活动1,4。“金刚不坏之身”第一式,提高蛋白质寡聚化水平1。他充分动员自己身体里的一切可用力量,让每个蛋白质的每一个亚基都具有更大的、更紧密堆积的疏水核心。疏水核心与水环境不亲和,在内部互相抱团的情况下,外界要破坏蛋白质的结构可就没那么容易了。细菌国王欣喜地发现,随着蛋白质变得更加强壮,曾使它痛苦万分的高温,也似乎逐渐变得温和起来。No.7 doi:10.38
10、66/PKU.DXHX202305063 149“金刚不坏之身”第二式,增加蛋白质二硫键(图1b)。原本,细菌国王内部是含有高浓度谷胱甘肽的还原性环境,因此,只有分泌到细胞外和定位在细胞膜上的蛋白质才给予二硫键连接。如今面对高温环境,细菌国王亲力亲为,在许多体内重要的蛋白质上也使用了二硫键进行加固。他仿佛看到,拯救细菌的“嗜热神功”正在不远处向他招手2。“金刚不坏之身”第三式,提升蛋白质上的电荷量1,4。一是因为肽链中天冬酰胺和谷氨酰胺等易在高温下解离,换成携带电荷的天冬氨酸和谷氨酸相对更加稳定(图1c);二是因为增加带电荷的氨基酸的含量,可以在蛋白质上形成更多的离子键和盐桥,使蛋白质结构不易
11、变形;三是因为异性电荷之间的相互排斥可以防止不同蛋白质因为疏水作用力而聚合。细菌国王为自己能够参透这一神功而欣喜。外修“金钟罩铁布衫”,内炼“金刚不坏之身”,在不懈的努力下突破自我,细菌国王终于涅槃重生王者归来。稍事休息后,细菌国王缓缓合上了手中的嗜热神功,自信的光芒在他的眼中闪烁着:“我的功夫已有小成,但感觉还差了些什么。不过,拯救细菌古国刻不容缓,是时候带领大家一起修炼嗜热神功了!”2 找寻诺亚方舟,前往梦想净土 找寻诺亚方舟,前往梦想净土 岩浆蔓延的范围越来越广,热裂口周围的温度还在不断攀升,灾难丝毫没有减缓的趋势。许多细菌因失去家园而流离失所,甚至于承受不住高温而走向死亡。细菌国王走上
12、街头,看到细菌们奄奄一息的模样,恨自己没能早点修炼成“嗜热神功”。“族人们,我已经找到活下去的办法了!只要大家按照秘籍修炼嗜热神功,便可挺过鬼门关。通过加固和稳定我们的细胞膜和蛋白质,我们将可以忍受60 C的温度,有天分者甚至可以突破极限,忍受100 C以上的高温46!”细菌国王用满怀希望的热情鼓舞着大家。众细菌听完这一席话,便争分夺秒地修炼起来。然而,在众细菌欢欣鼓舞之际,一位正“怀孕”的细菌妈妈提出了她的担心:“我那还未出生的孩子练不成嗜热神功,他可怎么办?”细菌国王听罢,恍然大悟,原来“嗜热神功”迈向大成的最后一步,就是将它内化为心,代代相传。想到这里,细菌国王做出了一个果断而又大胆的决
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