激烈火球菌是一種生物物種，所屬科目是熱球菌目。
基本介紹
- 中文名：激烈火球菌
- 外文名：Pyrococcus furiosus
- 界：廣古菌界
- 綱：熱球菌綱
- 科：熱球菌科
分類科屬,簡介,基本特徵,生長環境,營養,基因組及穩定性維持,生理代謝,丙酮酸代謝途徑,高溫糖酵解途徑,糖異生途徑,L-丙氨酸的形成,鎢對代謝的影響,繁殖,PfuDNA聚合酶,
分類科屬
激烈火球菌，學名：Pyrococcus furiosus
域：古菌域Archaea
界：廣古菌界Euryarchaeota
門：廣古菌門Euryarchaeota
綱：熱球菌綱Thermococci
目：熱球菌目Thermococcales
科：熱球菌科Thermococcaceae
屬：火球菌屬Pyrococcus
種：激烈火球菌P. furiosus（Erauso et al. 1993）
簡介
Pyrococcus furiosus是由G. Fiala 和K.O.Stetter（1986）兩位科學家發現的最適生長溫度（Topt）達100℃的嚴格厭氧的異養型海洋生物。Pyrococcus在拉丁文中的意思是火球（fireball），可以看出該菌為球形且生長溫度極高；furiosus的意思則是快速的（rushing），即這種菌複製繁殖的速度相當快。
基本特徵
P. furiosus為球菌，通常單一或成對出現，直徑0.8~1.5μm，革蘭氏染色呈陰性，具有單端叢生鞭毛，無複雜的細胞器，有古菌域中最大且蛋白質含量最高的核糖體。其有機體外包被著一層糖蛋白（細胞壁），據此可與細菌加以區別。它是一種絕對的厭氧菌，以S作為電子的受體而非O2。此菌以有機物作為碳源和能量的來源，屬於化能異養型微生物。該菌為古菌域中的一種極端物種，在極端高溫（比熱球菌屬Thermococcus的嗜高溫菌thermophiles的生存溫度要高）的環境中能夠正常生長，最適生長溫度為100℃，因而又被稱為嗜超高溫菌（hyperthermophiles）。另外，在其細胞內的一些酶中發現了生物大分子中極為罕見的鎢元素。
生長環境
自然條件下，因為S效應（P. furiosus的發酵主產物中有H2，當過多的H2積累時會抑制微生物的生長。但環境中有硫元素存在時，硫會和這些H2作用產生H2S，使H2濃度下降，微生物就可繼續正常生長，該過程無能量產生。換言之，S可以刺激P. furiosus的生長）的影響，P. furiosus通常生活在含有硫元素的地方，如滾燙的海水中、含有硫磺質的火山附近的海底沙洲或海底的火山口。其生長的溫度範圍為70℃~103℃，但最適生長溫度在100℃；生長的pH範圍在5~9，最適生長pH值為7；最適生長的鹽度大約為2%，最高可在5%，最低則為0.5%，因此可適應海水鹽度的大幅度變化。
營養
P. furiosus為厭氧菌，藉助發酵來產生能量，主要產物為有機酸、H2及CO2，可利用的碳源是一些碳水化合物和肽類物質，不能利用氨或游離胺基酸作為氮源。它可以在酵母提取物，麥芽糖，纖維二糖，β-葡聚糖，澱粉及蛋白類物質（胰化蛋白腖，蛋白腖，酪蛋白，肉浸膏）上生長良好，而在胺基酸，有機酸，乙醇，以及大多數碳水化合物（包括葡萄糖，果糖，乳糖和半乳糖）上生長緩慢甚至不能生長。高濃度H2可抑制其生長，故通常加入硫元素。科學家們利用SME培養基加入酵母提取物和蛋白腖來培養P. furiosus。一般來說培養過程中不會添加鎢元素，但其細胞內特有的酶——鎢酶可使該菌在有鎢的情況下生長較好，這是和代謝路徑有關的。
基因組及穩定性維持
P. furiosus的全基因組序列於2001年被馬里蘭大學生物技術研究所的科學家們測定完成。馬里蘭小組發現，其基因組全長1908kb，負責編碼2065種蛋白質。DNA中（G+C）mol %大約為50%。
該菌具有維持染色體在高溫甚至是103℃穩定度的能力，上限是103℃，因為其細胞內具有特殊的蛋白質，此種蛋白質與一般蛋白質顯著不同的是其他蛋白質在60~70℃就會變性，而它卻可以在100多度比較穩定。這種蛋白質可以和DNA或RNA結合，修飾DNA或RNA使其可在高溫下保持穩定而不裂解。
P. furiosus對UV具有抗性。高劑量的UV對一般生物而言是有致病性的甚至是致突變潛力的，可能會對DNA造成傷害，但火球菌屬的菌對UV有抗性，因為它們可以通過增強NAD（P）H鳥嘌呤氧化還原酶（一種強大的抗氧化酶）的活性，保證細胞不受氧化的脅迫和毒害。
此菌還具有快速且系統性的DNA修補機制。其修補機制有兩種，一種是通過光激活酶系統，修復DNA上突起的二聚物，直接將其分開稱為兩個正常的鹼基對；另一種機制則是核苷酸切除修復，可以把DNA上突起的二聚物用酶切除，再進行修補。
生理代謝
丙酮酸代謝途徑
高溫糖酵解途徑
研究表明，P. furiosus還可以利用麥芽糖、纖維二糖等作為碳源和能源生長。這些底物首先轉化為葡萄糖，然後靠經過修飾後的ED途徑將其降解為丙酮酸和H2，並釋放出能量，隨後丙酮酸再進一步分解。這一途徑的特徵是：葡萄糖通過非磷酸化中間體轉化為甘油醛和丙酮酸，甘油醛進一步轉化為丙酮酸。其關鍵酶是KDG醛縮酶、甘油醛脫氫酶和甘油酸激酶。P. furiosus等古核生物的糖轉化不包括磷酸中間體，這一點區別於所有其他糖酵解途徑。
糖異生途徑
Schafer和Schonheit研究了P. furiosus在丙酮酸生長的糖異生途徑，即從丙酮酸形成6-磷酸葡萄糖的途徑，從丙酮酸培養的P. furiosus的細胞抽提物中檢測到了糖異生所需各種酶的活性。P. furiosus作為超高溫古核生物被認為是最古老的生物之一，其細胞記憶體在糖異生途徑酶的存在表明該途徑是在生物進化的早期出現的，在生命三域（three domains）多樣化之前就已進化形成。
L-丙氨酸的形成
研究表明，P. furiosus能夠以三種不同的方式利用高溫糖酵解產生的電子：（1）S還原為H2S（當有硫存在的時候）；（2）通過氫化酶使質子還原為H2；（3）丙酮酸還原氨化為L-丙氨酸。而L-丙氨酸的形成是通過丙酮酸和谷氨酸的轉氨作用實現的，因此谷氨酸的補充是必須的，而且這種補充還將完成電子的轉移。已經證明P. furiosus含有很高水平的谷氨酸脫氫酶，在其抽提物中有高達21U/mg的專一酶活。這種特殊的丙氨酸形成支路的存在，使得P. furiosus可依據電子受體的氧化還原電位（潛力）調節它的發酵，通過特有的分枝從丙酮酸形成L-丙氨酸來平衡它的代謝。
鎢對代謝的影響
鎢在生物系統中是一種罕見的元素，但對P. furiosus等海洋古生物的生長和代謝有重要的影響。研究表明，將微量水平的鎢（以鎢酸鹽形式）添加到只有麥芽糖而沒有肽作為能源的限能恆化器培養物中時，P. furiosus細胞得率明顯增加，且細胞抽提物中醛鐵氧還蛋白氧化還原酶（AOR，一種鎢-鐵-硫蛋白）專一酶活也顯著增加。據此有人提出，AOR和其他新酶即葡萄糖-鐵氧還蛋白氧化還原酶和丙酮酸-鐵氧還蛋白氧化還原酶是一種新的糖酵解途徑，被稱為高溫糖酵解途徑的一部分。鎢不僅影響麥芽糖的作用，還影響胞內解朊酶活性。資料顯示，麥芽糖和鎢在高溫糖酵解途徑的啟動中起到重要作用，但目前還不知道P. furiosus中是否還有其他途徑受鎢的影響。
繁殖
P. furiosus以其極快的分裂速度而著稱。在最適培養條件下，它繁殖一代的時間僅為37分鐘。這就意味著每隔37min，其個體數目就會增加一倍，形成了一個呈指數增長的生長曲線。
PfuDNA聚合酶
PfuDNA聚合酶（Pfu DNA polymerase），又稱Pfu聚合酶，是在P. furiosus內發現的一類能在活體內進行DNA複製的酶，該酶與其他生物的DNA聚合酶無相關性，且蛋白質之間沒有明顯的同源序列。Pfu聚合酶具有較好的熱穩定性以及較強的3’→5’核酸外切酶活性，故在聚合酶鏈反應（polymerase chain reaction，PCR）中，使用Pfu聚合酶可以快速，高保真的擴增DNA片段。與其它在PCR反應中使用的聚合酶相比，Pfu聚合酶有著出色的校正作用，可以即時的識別並切除錯配核苷酸，是現今所描述過的所有熱穩定酶中精確度最高的一種。商業化的Pfu聚合酶試劑，其出錯率大約為10每個鹼基對，因此常被套用於高精度的PCR，如克隆、基因表達和突變分析等。但Pfu聚合酶的效率較低，一般來說，在72° C擴增1kb的DNA時，每個循環需要1到2分鐘。另外，使用Pfu聚合酶進行PCR反應時，會產生平齊末端的PCR產物，而平齊末端間的連線是將兩個帶有平齊末端的DNA分子用DNA連線酶使之連線的過程，這種連線過程比粘性末端DNA分子間的連線率要低。
