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內容簡介： 《*微生物生物技术——前景与挑战》系统阐述*微生物的研究进展及其在生物技术中的应用，主要涉及*微生物多样性，生长与代谢，适应*环境的分子机制及其生物技术应用，还介绍了组学方法在鉴定*微生物新型基因和功能蛋白发掘中的应用，相关结构功能关系的分子动力学研究及其在工业应用中的潜力。 《*微生物生物技术——前景与挑战》可供从事微生物技术研究的人员查阅，也可供微生物专业师生参考。 關於作者： P. H. 兰佩洛托（Pabulo Henrique Rampelotto），斯普林格公司（Springer）系列书《生物学和生物技术的巨大挑战》（Grand Challenges in Biology and Biotechnology）的发起者和执行主编，担任生命科学和生物技术领域多种期刊的执行主编、助理编辑、高级编辑、特邀编辑和编委会成员。编辑出版多个极 端微生物的专题，专题涵盖了该领域知名研究团队带头人的科研成果。其研究工作涉及生物技术、宏基因组学、下一代测序技术、微生物和极 端微生物的分子生物学和生物化学、太空生物学。 目錄： 第一章　极端微生物的生长与代谢1 1.1　引言1 1.2　生长、底物和转运蛋白2 1.3　糖类的利用，中心代谢途径和适应极端环境6 1.3.1　嗜酸微生物和嗜碱微生物6 1.3.2　嗜冷微生物9 1.3.3　嗜热微生物10 1.3.4　超嗜热微生物11 1.3.5　嗜盐微生物12 1.3.6　嗜高渗和耐旱微生物13 1.3.7　寡营养微生物14 1.3.8　抗压菌14 1.3.9　抗辐射菌17 1.4　肽与氨基酸代谢17 1.5　中心代谢与氨基酸代谢之间的联系19 1.6　结论与前景20 参考文献21 第二章　嗜冷细菌的多样性、冷适应性和生物技术应用34 2.1　嗜冷细菌的多样性34 2.1.1　南极洲原核生物多样性34 2.1.2　北极原核生物多样性39 2.1.3　喜马拉雅山脉原核生物多样性41 2.1.4　极端寒冷环境细菌的一些特性43 2.2　耐冷细菌的环境适应及重要的生物技术应用44 2.2.1　耐冷机制：概述44 2.2.2　潜在的生物技术应用46 参考文献47 第三章　极地适冷细菌和真菌的抗菌潜力58 3.1　引言58 3.2　极地适冷微生物的抗生素潜能59 3.2.1　陆地环境59 3.2.2　极地湖泊和池塘65 3.2.3　海洋环境68 3.2.4　与其他生物相关的微生物72 3.3　具有抗生素活性的海绵相关南极细菌的遗传与基因组75 3.4　具有抗菌活性的适冷微生物的生物活性代谢产物76 3.5　结论78 参考文献78 第四章　嗜热菌：特殊性质胞外多糖的重要来源82 4.1　引言82 4.2　细胞胞外多糖的生理作用83 4.2.1　生物膜84 4.3　产胞外多糖的嗜热原核生物84 4.3.1　细菌85 4.3.2　古菌86 4.4　耐热性胞外多糖的化学和结构组成87 4.5　嗜热菌合成胞外多糖的特定条件90 4.6　嗜热菌胞外多糖的潜在生物技术应用91 参考文献93 第五章　嗜酸硫还原微生物的生态生理学和应用97 5.1　自然界中的硫化合物97 5.2　单质硫的化学性质98 5.3　硫还原微生物100 5.3.1　硫还原菌的生态生理学100 5.3.2　硫的新陈代谢104 5.3.3　参与硫还原的酶105 5.3.4　通过多硫化物还原硫107 5.3.5　通过物理附着将硫还原固定化108 5.4　适应酸性条件的机制110 5.5　生物技术的应用111 5.5.1　工业废水和酸性矿井排水111 5.5.2　最先进的金属去除和回收方法112 5.5.3　金属去除和回收112 5.5.4　硫酸盐还原过程与硫还原过程成本的比较分析114 5.6　结论与前景115 参考文献115 第六章　嗜酸性金属硫氧化微生物的生物膜生活方式122 6.1　引言122 6.2　嗜酸性金属硫氧化微生物生物膜123 6.2.1　金属硫化物溶解机制123 6.2.2　微生物EPS吸附金属硫化物124 6.3　铁氧化硫杆菌对生物膜生存方式的生理学适应127 6.3.1　氧化应激反应127 6.3.2　无机磷酸盐和多磷酸盐代谢128 6.3.3　影响铁氧化硫杆菌生物膜组成的其他因素129 6.4　嗜酸性金属硫氧化微生物的生物膜可视化129 6.4.1　实验室条件下培养的嗜酸性金属硫氧化微生物的生物膜组成130 6.4.2　自然环境中嗜酸微生物的生物膜组成133 6.4.3　嗜酸生物膜的分离133 6.4.4　胞外组分的化学图谱134 6.5　嗜酸性金属硫氧化微生物生物膜生活方式的分子研究134 6.5.1　At.ferrooxidansT生物膜组成的蛋白质组学134 6.5.2　酸性矿井排水生物膜的分子多样性研究136 6.5.3　酸性矿井排水生物膜的蛋白质组学136 6.6　嗜酸性金属硫氧化细菌的细胞间通讯137 6.6.1　At.ferrooxidansT的群体感应研究138 6.6.2　其他嗜酸性浸出细菌中的细胞间通讯138 6.6.3　酸性硫杆菌的c-d-iGMP通路139 6.7　未来前景140 参考文献140 第七章　嗜酸细菌：生物学研究和应用148 7.1　引言148 7.2　嗜酸微生物的起源149 7.3　嗜酸微生物生物学150 7.4　酸稳定蛋白质的分子适应151 7.5　嗜酸细菌的元基因组和元转录组分析152 7.6　嗜酸细菌和古菌进行微生物湿法冶金152 7.6.1　铜154 7.6.2　金154 7.6.3　铀154 7.7　酸稳定性酶的应用155 7.7.1　淀粉工业155 7.7.2　烘焙工业155 7.7.3　果汁工业156 7.7.4　动物饲料157 7.7.5　制药工业157 7.8　商品化酸稳定酶157 7.9　利用嗜酸微生物发电158 7.10　生物能转换和生物处理法中的嗜酸细菌160 7.11　食品中的嗜酸微生物161 7.12　结论与前景161 参考文献162 第八章　嗜碱微生物在生物技术中的应用166 8.1　引言166 8.1.1　嗜碱微生物的生存环境及多样性分析166 8.1.2　高pH值环境的适应167 8.1.3　嗜碱微生物在生物技术开发领域的应用前景167 8.2　嗜碱微生物的耐碱性酶及其工业化应用168 8.2.1　碱性蛋白酶的应用169 8.2.2　耐碱性纤维素酶的应用172 8.2.3　耐碱性木聚糖酶及其在牛皮纸浆去木质素作用中的应用174 8.2.4　耐碱性果胶酶175 8.2.5　耐碱性淀粉降解酶175 8.3　其他嗜碱微生物活性产物176 8.3.1　嗜碱微生物的有机酸生产176 8.3.2　类胡萝卜素177 8.3.3　抗菌物质178 8.3.4　铁载体178 8.4　嗜碱微生物在环境保护中的应用179 8.4.1　中和碱性污水179 8.4.2　从纺织工艺介质中去除过氧化氢179 8.5　结论180 参考文献180 第九章　嗜盐古菌氮代谢研究进展及其在生物技术领域的应用186 9.1　引言186 9.2　硝酸盐亚硝酸盐和氨同化相关酶187 9.2.1　NO-3和NO-2转运体187 9.2.2　氨转运体187 9.2.3　同化硝酸盐还原酶188 9.2.4　同化亚硝酸盐还原酶188 9.2.5　谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合酶循环及谷氨酸脱氢酶189 9.2.6　铁氧还蛋白作为硝酸盐亚硝酸盐同化和GSGOGAT循环中的电子供体191 9.3　硝酸盐亚硝酸盐和氨同化相关酶的调节191 9.3.1　硝酸盐和亚硝酸盐还原酶的调节191 9.3.2　氨同化的调控：谷氨酸脱氢酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶196 9.4　嗜盐古菌中的氮调控蛋白199 9.4.1　不同氮源的GlnK蛋白及其在Hfx.mediterranei氮代谢调控中的作用199 9.4.2　Hfx.mediterranei中PⅡ同源蛋白的翻译后修饰200 9.4.3　铵限制条件下Hfx.mediterranei中glnK和amtB基因的共转录201 9.5　生物技术应用201 参考文献202 第十章　蛋白质组学方法鉴定极端微生物新型蛋白质206 10.1　引言206 10.2　蛋白质组学技术的发展207 10.2.1　蛋白质的分离和制备207 10.2.2　蛋白质鉴定208 10.2.3　质谱仪209 10.2.4　蛋白质鉴定软件和生物信息学工具210 10.3　极端微生物新型蛋白质的筛选211 10.3.1　极端微生物蛋白质的高通量筛选211 10.3.2　极端微生物的膜蛋白214 10.3.3　极端微生物膜囊泡蛋白及胞外蛋白214 10.3.4　定量蛋白质组学分析215 10.4　结论216 参考文献216 第十一章　功能筛选发掘新型极端酶218 11.1　引言218 11.2　筛选极端酶的方法219 11.3　生物催化剂的高通量功能筛选220 11.4　生物技术中具有潜力的极端微生物酶223 11.4.1　氧化还原酶225 11.4.2　转移酶228 11.4.3　水解酶229 11.4.4　异构酶232 11.4.5　裂合酶233 11.4.6　连接酶234 11.5　结论234 参考文献235 第十二章　来源于嗜冷和（极端）嗜热原核生物的极端脂解酶及其在工业应用中的潜力238 12.1　引言238 12.2　脂解酶的一般特性与酶学性质240 12.3　嗜冷微生物的脂解酶242 12.3.1　适冷酯酶与脂肪酶的多样性242 12.3.2　通过遗传工程改良嗜冷菌的酶学性质244 12.3.3　适冷脂解酶的应用244 12.4　来源于（极端）嗜热微生物的脂解酶246 12.4.1　热活性脂肪酶和酯酶的多样性246 12.4.2　极端嗜热古菌作为脂解酶的来源248 12.4.3　酶工程249 12.4.4　热稳定脂肪酶和酯酶的应用250 12.5　结论250 参考文献251 第十三章　脂解酶生产菌——嗜盐细菌和古菌255 13.1　引言255 13.2　脂解酶的重要来源——高盐环境256 13.3　嗜盐酶和耐盐酶特性258 13.4　嗜盐和耐盐脂解酶在生物技术领域的应用260 13.4.1　细菌来源的脂解酶260 13.4.2　古菌来源的脂解酶262 13.5　未来前景263 13.5.1　生物柴油工业264 13.5.2　制药业264 13.5.3　营养行业264 参考文献265 第十四章　极端蛋白酶：特殊功能的开发、潜在来源以及生物技术中的应用270 14.1　引言：蛋白酶的一般特性与分类270 14.2　极端蛋白酶的来源、特性和结构上的适应性271 14.2.1　嗜热蛋白酶271 14.2.2　嗜冷蛋白酶275 14.2.3　嗜碱蛋白酶278 14.2.4　嗜盐蛋白酶281 14.3　极端蛋白酶的应用284 14.3.1　洗涤剂工业286 14.3.2　食品工业290 14.3.3　皮革与纺织工业290 14.3.4　家禽业291 14.3.5　医疗和制药工业291 14.3.6　蛋白酶在非常规介质中的应用292 14.4　结论和挑战294 参考文献295 第十五章　适冷性β-半乳糖苷酶：来源、生化性质及其生物技术应用潜力303 15.1　β-D-半乳糖苷酶：基本特征303 15.2　β-D-半乳糖苷酶：工业酶的来源和应用304 15.3　β-D-半乳糖苷酶：工业来源305 15.4　适冷性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　潜在的生物技术应用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-塔格糖的产生315 15.6　结论和未来趋势316 参考文献317 第十六章　极端磷酸三酯酶样内酯酶在生物技术上的应用320 16.1　引言320 16.2　有机磷化合物水解酶323 16.2.1　有机磷水解酶323 16.2.2　甲基对硫磷水解酶325 16.2.3　血清对氧磷酶326 16.2.4　微生物脯氨酸肽酶有机磷酸酐水解酶326 16.3　磷酸三酯酶样内酯酶327 16.4　极端磷酸三酯酶样内酯酶体外演化332 16.5　进化型有机磷降解酶在生物技术上的应用潜力335 16.5.1　治疗和预防有机磷中毒335 16.5.2　有机磷生物监测336 16.5.3　有机磷修复336 16.6　结论和未来前景337 参考文献338 第十七章　古菌α-淀粉酶的序列、结构及进化分析344 17.1　引言344 17.1.1　CAZy分类系统345 17.2　古菌GH13家族α-淀粉酶346 17.2.1　古菌α-淀粉酶GH13_7亚家族346 17.2.2　嗜盐古菌GH13家族α-淀粉酶350 17.3　古菌α-淀粉酶GH57家族351 17.4　结论352 参考文献353 第十八章　极端嗜热菌DNA复制所需的蛋白质：PCR与其他技术359 18.1　概述359 18.2　生物的DNA复制360 18.3　聚合酶链式反应360 18.4　时间控制和“热启动”技术361 18.5　序列特异性及其对全基因组扩增与基因分型的影响361 18.6　复制精度及其技术重要性363 18.7　损伤旁路和损伤DNA的扩增364 18.8　非天然碱基的插入364 18.9　PCR抑制剂耐受365 18.10　结论366 参考文献366 第十九章　嗜热微生物降解蔬菜废弃物生物质技术进展369 19.1　世界蔬菜废弃物生物量：木质纤维素类生产概述369 19.1.1　木质纤维素类废弃生物质预处理的主要技术371 19.1.2　植物生物质木聚糖提取流程373 19.2　废弃生物质作为极端微生物生长基质的替代碳源374 19.3　用于生物质转化获得生物燃料的极端酶系376 19.3.1　嗜热细菌和热稳定酶377 19.3.2　纤维素解构377 19.3.3　半纤维素解构380 19.3.4　木质素解构382 19.3.5　热稳定酶：木质纤维素降解的过表达382 19.3.6　水解淀粉的极端微生物383 19.4　蔬菜生物质降解的进展383 19.4.1　半纤维素提取物的单糖组成384 19.4.2　由半纤维素农业废弃物生产寡糖的色谱特性384 19.4.3　酶消化前后半纤维素馏分的光谱研究：NMR、MS、FT-IR分析385 19.4.4　转糖基作用过程与半纤维素提取物387 19.5　极端微生物在废弃生物质开发利用中的生物技术应用：生物燃料和生物氢生产388 19.6　结论389 参考文献391 第二十章　通过重建古生物的祖先序列设计热稳定酶的策略397 20.1　引言397 20.2　最后一个共同祖先“Commonote”397 20.3　Commonote生存的环境温度的早期研究进展398 20.4　计算分析祖先序列399 20.5　核苷二磷酸激酶的祖先序列重建399 20.6　通过祖先的核苷二磷酸激酶序列估算古生物生活的环境温度401 20.7　估算Commonote生存的环境温度401 20.8　其他合成祖先蛋白质的研究402 20.9　重建祖先序列设计热稳定蛋白质403 20.10　结论406 参考文献406 第二十一章　关于细菌应对温度变化的系统生物学观点409 21.1　引言409 21.1.1　冷适应机制409 21.1.2　热适应机制410 21.2　研究应对温度变化反应的组学方法411 21.2.1　基因组学411 21.2.2　转录组学412 21.2.3　蛋白质组学412 21.2.4　表型组学413 21.3　研究温度改变时响应的系统生物学413 21.3.1　全基因组范围代谢重建与代谢建模413 21.3.2　数据整合415 21.3.3　整合表达数据与代谢建模以研究温度改变反应415 21.4　P.haloplanktisTAC125研究案例416 21.4.1　模型概述416 21.4.2　代谢模型的测试417 21.4.3　冷休克反应的研究418 21.5　结论420 参考文献420 第二十二章　极端微生物的实验微生物进化424 22.1　实验微生物进化理论及在模式生物中的应用424 22.2　实验微生物进化的相关技术426 22.2.1　极端微生物基因型和表型进化的高通量方法426 22.3　极端微生物的实验进化427 22.3.1　极端微生物的特殊挑战427 22.3.2　极端微生物的培养和菌种保存427 22.4　极端微生物实验微生物进化实例428 22.4.1　极端嗜热厌氧菌Thermotogamaritima基因缺失的形成429 22.4.2　古菌Sulfolobussolfataricus硫化叶菌及其插入序列元件的作用430 参考文献432 第二十三章　固相结合多肽：在生物技术中极端微生物催化剂的固定化策略436 23.1　引言436 23.1.1　蛋白质固定化437 23.2　利用固相结合多肽进行固定化439 23.2.1　固相结合多肽在生物催化上的用途440 23.2.2　硅结合固相结合多肽442 23.2.3　用于硅结合固相结合多肽的基质444 23.2.4　硅结合固相结合多肽作为嗜热酶融合蛋白的一部分446 23.3　对于利用固相结合多肽固定化热稳定酶的展望451 23.3.1　合成生物学451 23.3.2　生产生物燃料453 23.3.3　气相催化和CO2捕获454 23.4　结论456 参考文献457 第二十四章　嗜冷酶结构与功能关系的分子动力学研究464 24.1　嗜冷酶的稳定性和结构柔性464 24.2　局部结构柔性与酶的适冷性465 24.3　蛋白质结构的集合描述和动力学的重要性465 24.4　蛋白质分子动力学模拟：概述、局限性和优势466 24.5　适冷酶的折叠漏斗模型468 24.6　结构需求470 24.7　适冷酶的分子动力学模拟回顾470 24.8　以同一蛋白质家族为中心的适冷适温酶的结构和动力学比较研究474 24.9　未来前景475 参考文献475 第二十五章　嗜盐杆菌表达系统表达恶性疟原虫环子孢子蛋白479 25.1　引言479 25.2　材料与方法480 25.2.1　P.falciparum3D7菌株CSP基因的设计及克隆480 25.2.2　表达菌株的构建及培养480 25.2.3　蛋白质印迹法分析482 25.2.4　蛋白质组学分析482 25.3　结果483 25.3.1　含优化CSP基因的盐杆菌表达菌株的构建483 25.3.2　P.falciparumCSP基因在盐杆菌中的表达483 25.4　讨论484 参考文献485 索引488 內容試閱： 在过去数十年中，极端微生物研究突破性的发现挑战了我们对生物化学和分子生物学的认知。在应用方面，极端微生物及其酶类已经孵育出数十亿美元的生物技术产业，比如生物医学、药学、工业、环境和农业等领域。Taq DNA聚合酶（分离自黄石国家公园地热泉的栖热水生菌）是极端微生物及其生物分子在生物技术上应用的最著名的例子。确实，极端微生物及其生物活性物质的应用已经开启了生物技术的一个新时代。但是，尽管有这么多的最新进展，我们仍处于探索极端微生物在生物技术潜力上的初始阶段。 出于这个原因，我选择这一主题作为此系列的第一本书。另外，我还为先前在极端微生物和生物技术专刊上取得的成功所激励。更重要的是，极端微生物在商业上的成功应用在科学文献上还未被良好地记载，从而导致工业研究和发展上的激烈竞争。 本书旨在为从事极端微生物及其生物技术应用开发的科研人员、生物技术专家提供一本重要的参考书。通过这本书，我们全面而翔实地论述了这一主题不同方面的最新进展和挑战。本书语言通俗易懂，也适用于任何对这一新兴研究领域感兴趣的读者。 Pabulo H.Rampelotto 巴西南里奥格兰德州阿雷格里港

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