第一章　極端微生物的生長與代謝1
1.1　引言1
1.2　生長、底物和轉運蛋白2
1.3　糖類的利用，中心代謝途徑和適應極端環(huán)境6
1.3.1　嗜酸微生物和嗜堿微生物6
1.3.2　嗜冷微生物9
1.3.3　嗜熱微生物10
1.3.4　超嗜熱微生物11
1.3.5　嗜鹽微生物12
1.3.6　嗜高滲和耐旱微生物13
1.3.7　寡營養(yǎng)微生物14
1.3.8　抗壓菌14
1.3.9　抗輻射菌17
1.4　肽與氨基酸代謝17
1.5　中心代謝與氨基酸代謝之間的聯(lián)系19
1.6　結論與前景20
參考文獻21

第二章　嗜冷細菌的多樣性、冷適應性和生物技術應用34
2.1　嗜冷細菌的多樣性34
2.1.1　南極洲原核生物多樣性34
2.1.2　北極原核生物多樣性39
2.1.3　喜馬拉雅山脈原核生物多樣性41
2.1.4　極端寒冷環(huán)境細菌的一些特性43
2.2　耐冷細菌的環(huán)境適應及重要的生物技術應用44
2.2.1　耐冷機制：概述44
2.2.2　潛在的生物技術應用46
參考文獻47

第三章　極地適冷細菌和真菌的抗菌潛力58
3.1　引言58
3.2　極地適冷微生物的抗生素潛能59
3.2.1　陸地環(huán)境59
3.2.2　極地湖泊和池塘65
3.2.3　海洋環(huán)境68
3.2.4　與其他生物相關的微生物72
3.3　具有抗生素活性的海綿相關南極細菌的遺傳與基因組75
3.4　具有抗菌活性的適冷微生物的生物活性代謝產物76
3.5　結論78
參考文獻78

第四章　嗜熱菌：特殊性質胞外多糖的重要來源82
4.1　引言82
4.2　細胞胞外多糖的生理作用83
4.2.1　生物膜84
4.3　產胞外多糖的嗜熱原核生物84
4.3.1　細菌85
4.3.2　古菌86
4.4　耐熱性胞外多糖的化學和結構組成87
4.5　嗜熱菌合成胞外多糖的特定條件90
4.6　嗜熱菌胞外多糖的潛在生物技術應用91
參考文獻93

第五章　嗜酸硫還原微生物的生態(tài)生理學和應用97
5.1　自然界中的硫化合物97
5.2　單質硫的化學性質98
5.3　硫還原微生物100
5.3.1　硫還原菌的生態(tài)生理學100
5.3.2　硫的新陳代謝104
5.3.3　參與硫還原的酶105
5.3.4　通過多硫化物還原硫107
5.3.5　通過物理附著將硫還原固定化108
5.4　適應酸性條件的機制110
5.5　生物技術的應用111
5.5.1　工業(yè)廢水和酸性礦井排水111
5.5.2　最先進的金屬去除和回收方法112
5.5.3　金屬去除和回收112
5.5.4　硫酸鹽還原過程與硫還原過程成本的比較分析114
5.6　結論與前景115
參考文獻115

第六章　嗜酸性金屬/硫氧化微生物的生物膜生活方式122
6.1　引言122
6.2　嗜酸性金屬/硫氧化微生物生物膜123
6.2.1　金屬硫化物溶解機制123
6.2.2　微生物EPS吸附金屬硫化物124
6.3　鐵氧化硫桿菌對生物膜生存方式的生理學適應127
6.3.1　氧化應激反應127
6.3.2　無機磷酸鹽和多磷酸鹽代謝128
6.3.3　影響鐵氧化硫桿菌生物膜組成的其他因素129
6.4　嗜酸性金屬/硫氧化微生物的生物膜可視化129
6.4.1　實驗室條件下培養(yǎng)的嗜酸性金屬/硫氧化微生物的生物膜組成130
6.4.2　自然環(huán)境中嗜酸微生物的生物膜組成133
6.4.3　嗜酸生物膜的分離133
6.4.4　胞外組分的化學圖譜134
6.5　嗜酸性金屬/硫氧化微生物生物膜生活方式的分子研究134
6.5.1　At.ferrooxidansT生物膜組成的蛋白質組學134
6.5.2　酸性礦井排水生物膜的分子多樣性研究136
6.5.3　酸性礦井排水生物膜的蛋白質組學136
6.6　嗜酸性金屬/硫氧化細菌的細胞間通訊137
6.6.1　At.ferrooxidansT的群體感應研究138
6.6.2　其他嗜酸性浸出細菌中的細胞間通訊138
6.6.3　酸性硫桿菌的c-d-iGMP通路139
6.7　未來前景140
參考文獻140

第七章　嗜酸細菌：生物學研究和應用148
7.1　引言148
7.2　嗜酸微生物的起源149
7.3　嗜酸微生物生物學150
7.4　酸穩(wěn)定蛋白質的分子適應151
7.5　嗜酸細菌的元基因組和元轉錄組分析152
7.6　嗜酸細菌和古菌進行微生物濕法冶金152
7.6.1　銅154
7.6.2　金154
7.6.3　鈾154
7.7　酸穩(wěn)定性酶的應用155
7.7.1　淀粉工業(yè)155
7.7.2　烘焙工業(yè)155
7.7.3　果汁工業(yè)156
7.7.4　動物飼料157
7.7.5　制藥工業(yè)157
7.8　商品化酸穩(wěn)定酶157
7.9　利用嗜酸微生物發(fā)電158
7.10　生物能轉換和生物處理法中的嗜酸細菌160
7.11　食品中的嗜酸微生物161
7.12　結論與前景161
參考文獻162

第八章　嗜堿微生物在生物技術中的應用166
8.1　引言166
8.1.1　嗜堿微生物的生存環(huán)境及多樣性分析166
8.1.2　高pH值環(huán)境的適應167
8.1.3　嗜堿微生物在生物技術開發(fā)領域的應用前景167
8.2　嗜堿微生物的耐堿性酶及其工業(yè)化應用168
8.2.1　堿性蛋白酶的應用169
8.2.2　耐堿性纖維素酶的應用172
8.2.3　耐堿性木聚糖酶及其在牛皮紙漿去木質素作用中的應用174
8.2.4　耐堿性果膠酶175
8.2.5　耐堿性淀粉降解酶175
8.3　其他嗜堿微生物活性產物176
8.3.1　嗜堿微生物的有機酸生產176
8.3.2　類胡蘿卜素177
8.3.3　抗菌物質178
8.3.4　鐵載體178
8.4　嗜堿微生物在環(huán)境保護中的應用179
8.4.1　中和堿性污水179
8.4.2　從紡織工藝介質中去除過氧化氫179
8.5　結論180
參考文獻180

第九章　嗜鹽古菌氮代謝研究進展及其在生物技術領域的應用186
9.1　引言186
9.2　硝酸鹽/亞硝酸鹽和氨同化相關酶187
9.2.1　NO-3和NO-2轉運體187
9.2.2　氨轉運體187
9.2.3　同化硝酸鹽還原酶188
9.2.4　同化亞硝酸鹽還原酶188
9.2.5　谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合酶循環(huán)及谷氨酸脫氫酶189
9.2.6　鐵氧還蛋白作為硝酸鹽/亞硝酸鹽同化和GS/GOGAT循環(huán)中的電子供體191
9.3　硝酸鹽/亞硝酸鹽和氨同化相關酶的調節(jié)191
9.3.1　硝酸鹽和亞硝酸鹽還原酶的調節(jié)191
9.3.2　氨同化的調控：谷氨酸脫氫酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶196
9.4　嗜鹽古菌中的氮調控蛋白199
9.4.1　不同氮源的GlnK蛋白及其在Hfx.mediterranei氮代謝調控中的作用199
9.4.2　Hfx.mediterranei中PⅡ同源蛋白的翻譯后修飾200
9.4.3　銨限制條件下Hfx.mediterranei中glnK和amtB基因的共轉錄201
9.5　生物技術應用201
參考文獻202

第十章　蛋白質組學方法鑒定極端微生物新型蛋白質206
10.1　引言206
10.2　蛋白質組學技術的發(fā)展207
10.2.1　蛋白質的分離和制備207
10.2.2　蛋白質鑒定208
10.2.3　質譜儀209
10.2.4　蛋白質鑒定軟件和生物信息學工具210
10.3　極端微生物新型蛋白質的篩選211
10.3.1　極端微生物蛋白質的高通量篩選211
10.3.2　極端微生物的膜蛋白214
10.3.3　極端微生物膜囊泡蛋白及胞外蛋白214
10.3.4　定量蛋白質組學分析215
10.4　結論216
參考文獻216

第十一章　功能篩選發(fā)掘新型極端酶218
11.1　引言218
11.2　篩選極端酶的方法219
11.3　生物催化劑的高通量功能篩選220
11.4　生物技術中具有潛力的極端微生物酶223
11.4.1　氧化還原酶225
11.4.2　轉移酶228
11.4.3　水解酶229
11.4.4　異構酶232
11.4.5　裂合酶233
11.4.6　連接酶234
11.5　結論234
參考文獻235

第十二章　來源于嗜冷和（極端）嗜熱原核生物的極端脂解酶及其在工業(yè)應用中的潛力238
12.1　引言238
12.2　脂解酶的一般特性與酶學性質240
12.3　嗜冷微生物的脂解酶242
12.3.1　適冷酯酶與脂肪酶的多樣性242
12.3.2　通過遺傳工程改良嗜冷菌的酶學性質244
12.3.3　適冷脂解酶的應用244
12.4　來源于（極端）嗜熱微生物的脂解酶246
12.4.1　熱活性脂肪酶和酯酶的多樣性246
12.4.2　極端嗜熱古菌作為脂解酶的來源248
12.4.3　酶工程249
12.4.4　熱穩(wěn)定脂肪酶和酯酶的應用250
12.5　結論250
參考文獻251

第十三章　脂解酶生產菌——嗜鹽細菌和古菌255
13.1　引言255
13.2　脂解酶的重要來源——高鹽環(huán)境256
13.3　嗜鹽酶和耐鹽酶特性258
13.4　嗜鹽和耐鹽脂解酶在生物技術領域的應用260
13.4.1　細菌來源的脂解酶260
13.4.2　古菌來源的脂解酶262
13.5　未來前景263
13.5.1　生物柴油工業(yè)264
13.5.2　制藥業(yè)264
13.5.3　營養(yǎng)行業(yè)264
參考文獻265

第十四章　極端蛋白酶：特殊功能的開發(fā)、潛在來源以及生物技術中的應用270
14.1　引言：蛋白酶的一般特性與分類270
14.2　極端蛋白酶的來源、特性和結構上的適應性271
14.2.1　嗜熱蛋白酶271
14.2.2　嗜冷蛋白酶275
14.2.3　嗜堿蛋白酶278
14.2.4　嗜鹽蛋白酶281
14.3　極端蛋白酶的應用284
14.3.1　洗滌劑工業(yè)286
14.3.2　食品工業(yè)290
14.3.3　皮革與紡織工業(yè)290
14.3.4　家禽業(yè)291
14.3.5　醫(yī)療和制藥工業(yè)291
14.3.6　蛋白酶在非常規(guī)介質中的應用292
14.4　結論和挑戰(zhàn)294
參考文獻295

第十五章　適冷性β-半乳糖苷酶：來源、生化性質及其生物技術應用潛力303
15.1　β-D-半乳糖苷酶：基本特征303
15.2　β-D-半乳糖苷酶：工業(yè)酶的來源和應用304
15.3　β-D-半乳糖苷酶：工業(yè)來源305
15.4　適冷性β-D-半乳糖苷酶306
15.4.1　GH2家族307
15.4.2　GH42家族309
15.4.3　GH43家族310
15.4.4　其他家族310
15.5　潛在的生物技術應用311
15.5.1　牛奶中乳酸的水解311
15.5.2　β-D-吡喃半乳糖苷的合成314
15.5.3　D-塔格糖的產生315
15.6　結論和未來趨勢316
參考文獻317

第十六章　極端磷酸三酯酶樣內酯酶在生物技術上的應用320
16.1　引言320
16.2　有機磷化合物水解酶323
16.2.1　有機磷水解酶323
16.2.2　甲基對硫磷水解酶325
16.2.3　血清對氧磷酶326
16.2.4　微生物脯氨酸肽酶/有機磷酸酐水解酶326
16.3　磷酸三酯酶樣內酯酶327
16.4　極端磷酸三酯酶樣內酯酶體外演化332
16.5　進化型有機磷降解酶在生物技術上的應用潛力335
16.5.1　治療和預防有機磷中毒335
16.5.2　有機磷生物監(jiān)測336
16.5.3　有機磷修復336
16.6　結論和未來前景337
參考文獻338

第十七章　古菌α-淀粉酶的序列、結構及進化分析344
17.1　引言344
17.1.1　CAZy分類系統(tǒng)345
17.2　古菌GH13家族α-淀粉酶346
17.2.1　古菌α-淀粉酶GH13_7亞家族346
17.2.2　嗜鹽古菌GH13家族α-淀粉酶350
17.3　古菌α-淀粉酶GH57家族351
17.4　結論352
參考文獻353

第十八章　極端嗜熱菌DNA復制所需的蛋白質：PCR與其他技術359
18.1　概述359
18.2　生物的DNA復制360
18.3　聚合酶鏈式反應360
18.4　時間控制和“熱啟動”技術361
18.5　序列特異性及其對全基因組擴增與基因分型的影響361
18.6　復制精度及其技術重要性363
18.7　損傷旁路和損傷DNA的擴增364
18.8　非天然堿基的插入364
18.9　PCR抑制劑耐受365
18.10　結論366
參考文獻366

第十九章　嗜熱微生物降解蔬菜廢棄物生物質技術進展369
19.1　世界蔬菜廢棄物生物量：木質纖維素類生產概述369
19.1.1　木質纖維素類廢棄生物質預處理的主要技術371
19.1.2　植物生物質木聚糖提取流程373
19.2　廢棄生物質作為極端微生物生長基質的替代碳源374
19.3　用于生物質轉化獲得生物燃料的極端酶系376
19.3.1　嗜熱細菌和熱穩(wěn)定酶377
19.3.2　纖維素解構377
19.3.3　半纖維素解構380
19.3.4　木質素解構382
19.3.5　熱穩(wěn)定酶：木質纖維素降解的過表達382
19.3.6　水解淀粉的極端微生物383
19.4　蔬菜生物質降解的進展383
19.4.1　半纖維素提取物的單糖組成384
19.4.2　由半纖維素農業(yè)廢棄物生產寡糖的色譜特性384
19.4.3　酶消化前后半纖維素餾分的光譜研究：NMR、MS、FT-IR分析385
19.4.4　轉糖基作用過程與半纖維素提取物387
19.5　極端微生物在廢棄生物質開發(fā)利用中的生物技術應用：生物燃料和生物氫生產388
19.6　結論389
參考文獻391

第二十章　通過重建古生物的祖先序列設計熱穩(wěn)定酶的策略397
20.1　引言397
20.2　最后一個共同祖先“Commonote”397
20.3　Commonote生存的環(huán)境溫度的早期研究進展398
20.4　計算分析祖先序列399
20.5　核苷二磷酸激酶的祖先序列重建399
20.6　通過祖先的核苷二磷酸激酶序列估算古生物生活的環(huán)境溫度401
20.7　估算Commonote生存的環(huán)境溫度401
20.8　其他合成祖先蛋白質的研究402
20.9　重建祖先序列設計熱穩(wěn)定蛋白質403
20.10　結論406
參考文獻406

第二十一章　關于細菌應對溫度變化的系統(tǒng)生物學觀點409
21.1　引言409
21.1.1　冷適應機制409
21.1.2　熱適應機制410
21.2　研究應對溫度變化反應的組學方法411
21.2.1　基因組學411
21.2.2　轉錄組學412
21.2.3　蛋白質組學412
21.2.4　表型組學413
21.3　研究溫度改變時響應的系統(tǒng)生物學413
21.3.1　全基因組范圍代謝重建與代謝建模413
21.3.2　數(shù)據(jù)整合415
21.3.3　整合表達數(shù)據(jù)與代謝建模以研究溫度改變反應415
21.4　P.haloplanktisTAC125研究案例416
21.4.1　模型概述416
21.4.2　代謝模型的測試417
21.4.3　冷休克反應的研究418
21.5　結論420
參考文獻420

第二十二章　極端微生物的實驗微生物進化424
22.1　實驗微生物進化理論及在模式生物中的應用424
22.2　實驗微生物進化的相關技術426
22.2.1　極端微生物基因型和表型進化的高通量方法426
22.3　極端微生物的實驗進化427
22.3.1　極端微生物的特殊挑戰(zhàn)427
22.3.2　極端微生物的培養(yǎng)和菌種保存427
22.4　極端微生物實驗微生物進化實例428
22.4.1　極端嗜熱厭氧菌Thermotogamaritima基因缺失的形成429
22.4.2　古菌Sulfolobussolfataricus硫化葉菌及其插入序列元件的作用430
參考文獻432

第二十三章　固相結合多肽：在生物技術中極端微生物催化劑的固定化策略436
23.1　引言436
23.1.1　蛋白質固定化437
23.2　利用固相結合多肽進行固定化439
23.2.1　固相結合多肽在生物催化上的用途440
23.2.2　硅結合固相結合多肽442
23.2.3　用于硅結合固相結合多肽的基質444
23.2.4　硅結合固相結合多肽作為嗜熱酶融合蛋白的一部分446
23.3　對于利用固相結合多肽固定化熱穩(wěn)定酶的展望451
23.3.1　合成生物學451
23.3.2　生產生物燃料453
23.3.3　氣相催化和CO2捕獲454
23.4　結論456
參考文獻457

第二十四章　嗜冷酶結構與功能關系的分子動力學研究464
24.1　嗜冷酶的穩(wěn)定性和結構柔性464
24.2　局部結構柔性與酶的適冷性465
24.3　蛋白質結構的集合描述和動力學的重要性465
24.4　蛋白質分子動力學模擬：概述、局限性和優(yōu)勢466
24.5　適冷酶的折疊漏斗模型468
24.6　結構需求470
24.7　適冷酶的分子動力學模擬回顧470
24.8　以同一蛋白質家族為中心的適冷/適溫酶的結構和動力學比較研究474
24.9　未來前景475
參考文獻475

第二十五章　嗜鹽桿菌表達系統(tǒng)表達惡性瘧原蟲環(huán)子孢子蛋白479
25.1　引言479
25.2　材料與方法480
25.2.1　P.falciparum3D7菌株CSP基因的設計及克隆480
25.2.2　表達菌株的構建及培養(yǎng)480
25.2.3　蛋白質印跡法分析482
25.2.4　蛋白質組學分析482
25.3　結果483
25.3.1　含優(yōu)化CSP基因的鹽桿菌表達菌株的構建483
25.3.2　P.falciparumCSP基因在鹽桿菌中的表達483
25.4　討論484
參考文獻485

索引488