综述：嗜盐酶：从高盐环境 “破土”，为制药领域带来无限可能的神奇 “钥匙”

为解决传统制药中酶在极端条件下失活等问题，德黑兰大学研究人员开展嗜盐酶制药应用研究。结果发现其在药物合成等多方面潜力巨大。推荐阅读，助您了解这一前沿研究，把握制药领域新方向。

　　

在神奇的微生物世界里，有一群 “特殊居民”—— 嗜盐微生物（halophiles），它们生活在盐沼、盐湖等高盐环境中，就像生活在 “盐的海洋” 里。这些嗜盐微生物能产生一类特殊的酶，叫做嗜盐酶（halophilic enzymes）。与普通酶相比，嗜盐酶就像拥有超能力的 “小战士”，在高盐、有机溶剂以及高温等极端条件下，依然能保持稳定并发挥作用。而普通酶在这样的环境中，就像脆弱的 “小树苗”，很容易失去活性、变性甚至沉淀。

随着现代医药技术的不断发展，人们对新型药物和高效制药工艺的需求越来越迫切。传统的制药过程常常面临一些难题，比如在药物合成时，需要使用高温、高盐或者有机溶剂等条件，这时候普通酶就 “罢工” 了，无法满足生产需求。而且在药物研发过程中，寻找高活性、高稳定性的生物催化剂（biocatalysts）也一直是个挑战。在这样的背景下，嗜盐酶独特的特性引起了科学家们的极大兴趣，大家都好奇，这些在极端环境中 “锻炼” 出来的酶，能不能为制药领域带来新的突破呢？

为了探索这个问题，来自伊朗德黑兰大学（University of Tehran）的研究人员玛丽安?亚瓦里 - 巴夫吉（Maryam Yavari-Bafghi）和穆罕默德?阿里?阿莫泽加尔（Mohammad Ali Amoozegar）在《Heliyon》期刊上发表了一篇名为 “Pharmaceutical applications of halophilic enzymes” 的论文。他们经过深入研究，发现嗜盐酶在制药领域有着巨大的潜力，能应用于药物合成、药物研发、疾病治疗等多个方面。这一发现就像在黑暗中点亮了一盏明灯，为制药行业开辟了新的道路，有望提高药物生产效率、改善治疗效果，为人类健康带来新的希望。

在这项研究中，研究人员运用了多种技术方法。他们从不同的高盐环境中筛选和分离嗜盐微生物，然后对这些微生物产生的嗜盐酶进行纯化和鉴定，以此来确定酶的特性和活性。此外，通过研究嗜盐微生物的基因组，他们探寻嗜盐酶适应高盐环境的遗传机制。利用这些方法，他们一步步揭开了嗜盐酶的神秘面纱。

下面我们来详细看看他们的研究结果：

嗜盐酶的概述

• 来源和适应性：嗜盐酶是由嗜盐微生物产生的极端酶，主要来源于古菌（Archaea）和细菌（Bacteria）这两个生命领域。研究人员从西班牙的盐沼、伊朗的盐湖以及智利的阿塔卡马沙漠等不同地方分离出多种嗜盐微生物，像 Salinivibrio、Halomonas 等属的微生物，它们能产生淀粉酶（amylase）、蛋白酶（protease）、脂肪酶（lipase）等多种酶。这些嗜盐微生物为了在高盐环境中生存，进化出了一系列独特的适应机制。比如，它们会积累大量的相容性溶质（compatible solutes），像钾离子、脯氨酸和甘油等，以此来调节细胞内的渗透压，防止脱水；在蛋白质和酶的结构方面，它们增加了蛋白质表面带负电荷的氨基酸数量，还调整了疏水氨基酸的比例，让蛋白质和酶在高盐环境中更加稳定；同时，嗜盐微生物的基因组也发生了适应性变化，包含了一些参与 DNA 修复机制的基因，以维持基因组的稳定性123。
• 独特的适应策略：在维持渗透压平衡方面，嗜盐微生物各有 “妙招”。有的会积累特定的有机溶质，像 Halorhodospira halochloris 会积累甘氨酸甜菜碱（glycine betaine），Halobacillus halophilus 在高盐环境下会转而产生脯氨酸作为主要的有机相容性溶质。还有一些微生物，比如 Halanaerobium acetethylicum、Halobacterium salinarum 等，则通过在细胞内浓缩 K?来维持渗透压平衡。在蛋白质和酶的适应方面，研究发现许多嗜盐酶的表面有丰富的酸性氨基酸残基，这有助于它们与盐离子相互作用，提高在高盐环境中的稳定性。像嗜盐 β - 半乳糖苷酶（β - galactosidase），其表面就富含酸性残基，使得它在高盐环境中能稳定存在。另外，嗜盐酶还会改变蛋白质和活性位点的结构，以及氨基酸的结构，来适应极端环境24。

嗜盐酶的制药潜力和应用

• 广泛的应用领域：嗜盐酶在多个领域都有应用潜力，尤其是在制药领域表现突出。在生物技术方面，嗜盐酶可以作为高效的生物催化剂；在食品加工行业，嗜盐淀粉酶可用于水解淀粉；在生物修复领域，嗜盐微生物及其酶能够处理制药公司的残留污染物。此外，嗜盐酶还有望用于设计酶基生物传感器，用于生物医学诊断和药物筛选5。
• 具体的制药应用
  • 嗜盐蛋白酶：嗜盐蛋白酶在高盐环境下的稳定性和活性，使其在蛋白质工程和药物开发中具有重要价值。例如，Haloferax 属的微生物产生的嗜盐蛋白酶，可用于降解蛋白质、提高药物耐久性以及改善药物组合的生物利用度。Halobacterium 属的蛋白酶在药物递送、伤口愈合和酶促肽合成方面展现出潜力，它能帮助药物在特定部位释放，促进伤口愈合，还能通过切割蛋白质产生具有治疗效果的生物活性肽。此外，嗜盐蛋白酶还可用于药物发现，帮助研究人员确定蛋白质的关键结合位点和功能域，以及处理制药生产过程中产生的含蛋白质废水678。
  • 嗜盐脂肪酶：在制药和化妆品行业，嗜盐脂肪酶可用于合成酯类、脂肪酸衍生物等脂质化合物，这些化合物在营养、药物递送和脂质基配方中都有重要应用。它还参与药物中间体和重要药物分子的制造，比如在生产盐酸地尔硫卓（Diltiazem hydrochloride）时，脂肪酶就起到了关键作用。一些 Haloarchaea 属的微生物，如 Haloferax 和 Halorubrum，是潜在的嗜盐脂肪酶来源。此外，嗜盐脂肪酶还可用于前药合成和生物催化过程，如生产二十碳五烯酸（Eicosapentaenoic Acid，EPA）和分离手性化合物91011。
  • 嗜盐抗癌 / 抗肿瘤酶：多种嗜盐酶在抗癌治疗方面展现出潜力。嗜盐天冬酰胺酶（asparaginase）可以分解血清中的天冬酰胺，从而抑制肿瘤细胞的增殖。研究人员从 Bacillus halotolerans OHEM18 中分离出的 L - 天冬酰胺酶，对多种肿瘤细胞系具有显著的细胞毒性，有望成为抗癌药物。嗜盐谷氨酰胺酶（glutaminase）在癌症治疗中也有重要作用，它能通过阻断肿瘤细胞的蛋白质合成和增加超氧化物水平，导致癌细胞死亡。从海洋细菌中分离出的一些嗜盐谷氨酰胺酶，对肝癌、乳腺癌和结直肠癌等多种癌细胞系都有抑制作用。嗜盐精氨酸酶（arginase）可调节精氨酸代谢，参与尿素循环，对与尿素循环障碍或精氨酸失衡相关的疾病有潜在治疗作用。此外，一些嗜盐转移酶（transferase），如 Halomonas elongata 中的嘌呤核苷磷酸化酶（HePNP）和胸苷磷酸化酶（HeTP），在合成抗病毒和抗癌药物方面具有重要潜力121314。
  • 嗜盐糖基转移酶：嗜盐糖基转移酶在药物发现中可用于合成糖基化化合物。它能够将糖残基转移到药物分子上，形成糖基化衍生物，这有助于提高药物的溶解度、稳定性和生物利用度。Haloferax mediterranei 产生的嗜盐糖基转移酶可以在高盐环境下促进糖基化化合物的合成，为开发新型药物提供了可能15。
  • 嗜盐尿酸酶：尿酸酶（uricase）可以将尿酸分解为更易溶解的尿囊素（allantoin），有助于排出体内多余的尿酸，治疗相关疾病。研究人员从伊朗的盐漠中筛选出了能够产生尿酸酶的嗜盐菌株，其中 Halobacillus sp. strain GCFx14 的尿酸酶活性最高。这为生产治疗高尿酸血症和肿瘤溶解综合征的药物提供了新的潜在来源1617。
  • 嗜盐链激酶：链激酶（streptokinase）是一种用于溶解血栓的酶，但传统的链激酶存在一些缺点，如容易引起胃肠道出血和过敏反应，且稳定性差、成本高。嗜盐链激酶具有独特的特性和较低的免疫原性，更适合用于医学治疗，特别是在血栓治疗方面。嗜盐的 Streptomyces flaveolus 和 Streptomyces galtieri 产生的纤维蛋白溶解酶有望成为新型的溶栓剂1819。
  • 嗜盐透明质酸酶：透明质酸酶（hyaluronidase）能够分解透明质酸，在美容医学和伤口愈合方面有重要应用。从海洋细菌中分离出的嗜盐透明质酸酶在 0 - 40°C 的温度范围内能保持稳定，且其活性不依赖于二价金属离子，这使得它在相关领域具有很大的应用潜力20。
  • 嗜盐淀粉酶：嗜盐淀粉酶可将淀粉和糖原水解为更简单的糖类，在制药领域有多种应用，如生产葡萄糖糖浆作为药物制剂的辅料，修饰淀粉用于控制药物释放系统，以及合成具有潜在治疗特性的寡糖。一些 Haloarcula 属的微生物产生的嗜盐淀粉酶在高温和高盐条件下仍具有活性，适用于制药过程。此外，嗜盐淀粉酶还可用于降解制药残留的含淀粉辅料，在生物修复方面发挥作用2122。
  • 嗜盐氧化还原酶：嗜盐氧化还原酶（oxidoreductases），包括漆酶（laccases）、氢化酶（hydrogenases）、醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase，ADH2）等，在药物生产中用于合成药物中间体。这些酶能够氧化底物和还原电子受体，参与药物分子中特定官能团的添加或去除。例如，Haloferax volcanii 和 Aquisalibacillus elongatus 产生的耐盐 / 耐溶剂漆酶，以及 Halobacterium salinarum 的谷氨酸脱氢酶，都已在制药工业中得到应用。此外，嗜盐氧化还原酶在生物修复方面也有重要作用，能够降解含氮化合物、氯酸盐和重金属等污染物2324。
  • 嗜盐酯酶 / 转氨酶：嗜盐酯酶和转氨酶能够水解含有酯、酰胺和硫酯键的化合物，并在分子间转移氨基。它们可用于激活或解毒前药，将底物转化为所需产物，以及合成手性胺。Halomonas elongata 中的一些酯酶在制药和生物医学领域有潜在应用，而嗜盐转氨酶，如 HewT，在合成手性胺方面表现出高选择性，有望用于制药和工业生产2526。
  
  

挑战和机遇

• 基因工程和定向进化：对嗜盐酶进行基因工程改造和定向进化，面临着一些挑战。由于嗜盐酶结构复杂，研究人员很难理解其结构与功能之间的关系，这使得预测基因变化对酶的影响变得困难。而且，在非最佳盐浓度或无盐条件下，保持酶的活性和稳定性也是一个难题。不过，基因工程和定向进化也为提高嗜盐酶的性能提供了机会。通过有针对性的突变或定向进化方法，可以改进酶的活性、稳定性、底物特异性等特性，甚至赋予酶新的功能，以满足不同的应用需求，推动环保、高效的生物技术发展27。
• 蛋白质稳定性和耐盐性：在实际应用中，维持嗜盐酶在非最佳盐条件下的稳定性和催化活性，以及防止蛋白质聚集，是需要解决的问题。但研究人员可以通过深入了解影响酶稳定性和活性的因素，并借助蛋白质工程技术，来扩大嗜盐酶在不同条件下的应用范围28。
• 放大生产和工业生产：大规模生产嗜盐酶时，选择合适的表达系统和宿主是一个挑战。嗜盐酶对环境条件要求特殊，如高盐浓度、极端 pH 值等，这使得在选择表达系统时需要谨慎考虑。此外，在提高生产效率的同时，保持生产成本的可承受性也很关键。当在大肠杆菌等细菌宿主中过量表达嗜盐酶时，常常会出现酶以包涵体形式积累的问题，这增加了生产的复杂性和成本。为了解决这些问题，研究人员可以调整生长条件，使用高盐培养基；也可以选择替代宿主，如嗜盐古菌或其他极端微生物；还可以运用基因工程技术，提高嗜盐酶在表达过程中的溶解性和活性2930。

最近的进展和未来方向

• 宏基因组学方法发现酶：近年来，下一代测序（Next - Generation Sequencing，NGS）技术的发展催生了宏基因组学这一新兴领域。宏基因组学通过分析整个微生物群落的基因组 DNA，无需对微生物进行繁琐的培养和纯化，就能高效地发现新的酶。研究人员可以通过构建宏基因组文库、基于序列和功能筛选所需的酶活性、进行生物信息学分析等一系列方法，从微生物群落的巨大遗传多样性中挖掘出具有潜在应用价值的新酶，加速酶的发现和开发进程3132。
• 生物信息学和计算工具预测酶：生物信息学和计算工具在酶的预测和鉴定中发挥着重要作用。像 BLAST 和 HMMER 这样的序列注释工具，可以通过与已知酶或蛋白质家族的数据库进行比对，为研究人员提供序列相似性、功能域和保守基序等信息，帮助注释和分类酶。蛋白质结构预测工具，如同源建模、从头建模和穿线算法等，能够预测酶的三维结构，有助于了解酶的催化机制和底物结合位点。此外，UniProt、Pfam 和 InterPro 等功能注释数据库，以及 KEGG 和 MetaCyc 等代谢途径分析工具，也为研究人员提供了丰富的信息，帮助他们预测酶的功能和在代谢网络中的作用3334。
• 合成生物学在嗜盐菌研究中的应用：合成生物学可以对生物系统进行工程改造和重新编程，在嗜盐酶研究领域有广泛的应用前景。在嗜盐菌的基因工程方面，研究人员可以通过合成生物学技术优化盐耐受机制、修饰代谢途径、引入遗传电路和优化基因表达，从而提高嗜盐菌及其酶的性能，优化嗜盐酶的生产过程。此外，合成生物学还可用于在非嗜盐生物中构建合成相容性溶质的异源途径，以及对嗜盐菌的代谢途径进行工程改造，生产有价值的化合物，如生物燃料、生物塑料和药物产品等3536。

这项研究表明，嗜盐酶在制药领域具有巨大的潜力，为药物研发和生产提供了新的方向。它们独特的适应特性，使其在解决传统制药难题方面展现出优势，有望开发出更高效、更稳定的药物。不过，目前嗜盐酶的研究和应用还面临一些挑战，如基因工程改造的复杂性、大规模生产的困难等。但随着技术的不断进步，宏基因组学、生物信息学和合成生物学等领域的发展为嗜盐酶的研究提供了新的机遇。未来，通过进一步研究嗜盐酶的特性和应用，有望推动制药行业的发展，提高人类的健康水平。这一研究成果不仅为科研人员提供了新的研究思路，也为制药产业的创新发展带来了希望，激励着更多的研究者投身于这一充满潜力的领域，探索嗜盐酶更多的奥秘，让这些来自高盐环境的 “小战士” 在制药领域发挥更大的作用。