执行摘要
- 极端微生物主要是指古菌和细菌，它们能在曾经被认为不适合生命存在的条件下繁衍，从沸腾的热液喷口、超酸性湖泊，到核废料场和冰冻的极地荒漠。它们独特的生物化学特性，包括极端酶、特化细胞膜以及强大的DNA修复机制，使其成为生物技术创新的重要源泉。
- 极端微生物的发现已经改变了多个领域：源自嗜热菌水生栖热菌的Taq聚合酶实现了PCR技术，而CRISPR-Cas系统则可追溯至嗜热链球菌。此外，极端微生物还提供抗菌肽、抗癌药物、抗氧化剂和抗逆酶，广泛应用于制药、诊断、洗涤剂和生物修复等领域。
- 相关研究活动正在加速。过去25年里，CAS内容合集中有关极端微生物的出版物数量增加了两倍，专利数量自2000年以来增长了四倍。过去五年中增长最快的子领域是多重极端微生物（增长约51%）、嗜金属微生物（约47%）和嗜辐射微生物（约36%），反映了工业界和临床界对此的浓厚兴趣。
- 目前，其应用已远超实验室范畴。极端微生物正被用于或积极开发用于生物采矿和稀土回收、冷热环境下的溢油清理、塑料降解、生物燃料生产、乳制品和饮料加工、耐盐耐旱作物、皮革和纺织品加工以及防紫外线化妆品，使其成为现代生物技术中最具跨界潜力的平台之一。
摘要
极端微生物是在极端环境中繁衍的生物，挑战了我们对生命如何生存和适应的认知。这些生物展现出惊人的多样性和独特的生物化学适应性，如极端酶和抗逆细胞机制。极端微生物进化出了生物化学途径，能够产生具有极高稳定性和生物活性的化合物。这些极端微生物代谢产物，包括抗菌肽、极端酶、抗癌剂、抗氧化剂等，在制药、生物技术、生物修复、农业、生物燃料生产等众多行业中具有巨大的应用潜力。基因组学、宏基因组学和合成生物学的最新进展加速了从这些顽强生物中发现新型生物活性化合物的进程，为抗生素耐药性、工业催化和环境可持续性等全球性挑战提供了创新解决方案。
引言：什么是极端微生物？
地球生命展现出惊人的适应能力，甚至能在最荒凉的环境中生存。被称为极端微生物的生物能在曾经被认为不适合生命存在的条件下繁衍，包括灼热的热液喷口、高酸性或高碱性湖泊、高盐水域以及南极的冰冻荒漠。对这些顽强微生物的研究彻底改变了我们对生命边界的理解，为进化生物学、生物技术甚至天体生物学提供了关键见解。
研究人员可以使用 CAS SciFinder 检索专业的生物学和化学文献，从而识别新型化合物、机制及应用。
极端微生物根据其栖息的极端条件进行分类。它们包括嗜热菌（高温）、嗜冷菌（低温）、嗜酸菌和嗜碱菌（极端pH值）、嗜盐菌（高盐度）、嗜压菌（高压）和嗜旱菌（极端干燥）等。它们的生存策略通常涉及被称为极端酶的特化酶、独特的生物膜结构、DNA修复机制以及能够抵御极端物理化学压力的代谢途径。
极端微生物的发现已经产生了深远影响。在生物技术领域，源自嗜热菌水生栖热菌的极端酶Taq聚合酶彻底改变了PCR技术，而来自嗜盐菌和嗜碱菌的酶则被用于洗涤剂、食品加工和废物处理。此外，极端微生物在生物修复中发挥着关键作用，能够分解传统微生物无法处理的极端环境中的污染物。
从天体生物学的角度来看，极端微生物是潜在地外生命的模拟对象。永久冻土中的地下产甲烷菌、热液喷口中的硫代谢古菌以及耐辐射细菌，为生命如何在火星、木卫二或土卫二等天体上生存提供了线索。因此，对极端微生物的研究架起了地球生物学与地外生命探索之间的桥梁。
尽管意义重大，但极端微生物生物学的许多方面仍未被探索。它们如何在极端气压下进化？地球最偏远的生态位中潜藏着哪些未被发现的物种？它们的独特生物化学特性能否被进一步用于可持续技术？宏基因组挖掘不可培养物种、模型宿主中的异源表达以及纳米技术辅助递送系统等创新解决方案，正在帮助解决这些核心问题。
在本报告中，我们探索了全球最大的人工标引科学信息库——CAS内容合集（CAS Content Collection™）中的数据，以更好地了解极端微生物领域的研究进展。从深海到核禁区，这些微小的生物正在推动药物研发、环境修复等科学挑战的创新方法。
极端微生物的类型及其生存方式
“极端微生物”（extremophile）一词由 MacElroy 于 1974 年提出，用于描述能够在极端环境下生存的生物。尽管其中包含一些原生动物、藻类和真菌物种，但大多数极端微生物属于原核生物，被归类于古菌域和细菌域，它们拥有独特的代谢和生理适应能力，使其能够在这些严酷的环境中生存。
如前所述，极端微生物生活在极热或极冷、高盐度或极端 pH 值，以及深海海沟等高压环境中。此外，还有一些具有抗辐射能力的极端微生物，能够在沙漠和核设施中生存。例如，Cladosporium chernobylensis（一种来自切尔诺贝利禁区的真菌）展现出了多种生存策略，如 DNA 修复和黑色素产生。如表 1 所示，极端微生物的种类涵盖了许多恶劣环境：
| 类型 | 极端条件 | 代表性生物 | 自然栖息地 | 关键适应性 | 应用领域 |
|---|---|---|---|---|---|
| 嗜热菌 | 高温（45–80°C） | 水生栖热菌 (Thermus aquaticus)、激烈火球菌 (Pyrococcus furiosus) | 温泉、地热喷口 | 耐热酶、修饰后的膜脂 | PCR 技术（Taq 聚合酶）、工业催化 |
| 超嗜热菌 | 极高温（>80°C） | 坎德勒甲烷嗜热菌 (Methanopyrus kandleri)（122°C） | 热液喷口（黑烟囱） | 反向 DNA 旋转酶、分子伴侣蛋白 | 极端环境工艺生物反应器 |
| 嗜冷微生物（耐冷微生物） | 低温（<15°C) | 嗜冷杆菌属 (Psychrobacter)、极地单胞菌属 (Polaromonas) | 极地冰层、深海 | 抗冻蛋白、柔性细胞膜 | 冷水洗涤剂、食品保鲜 |
| 嗜酸菌 | 低pH值（<3) | 炎热嗜酸菌 (Picrophilus torridus)（pH -0.06） | 酸性矿山废水、火山池 | 质子泵、耐酸细胞壁 | 金属生物浸出、酸性矿山废水治理 |
| 嗜碱微生物 | 高pH值（>9） | 法老嗜盐碱单胞菌 (Natronomonas pharaonis)（pH 11） | 碱湖、碳酸盐土壤 | Na⁺/H⁺逆向转运蛋白、特异性转运蛋白 | 洗涤剂酶、纺织加工 |
| 嗜盐菌 | 高盐度（2–5M NaCl） | 盐杆菌（Halobacterium salinarum） | 盐滩、高盐湖泊 | 积累相容性溶质（如 KCl），利用细菌视紫红质获取能量 | 生物塑料、太阳能制盐 |
| 嗜压生物（嗜压菌） | 高压（>400 atm） | 深海假单胞菌（Pseudomonas bathycetes，发现于马里亚纳海沟） | 超深渊海沟、深层地下环境 | 压力稳定型蛋白质、不饱和脂肪酸 | 深海生物技术、高压环境下的废物降解 |
| 嗜辐射生物 | 高电离辐射 | 耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans） | 核废料处理场、沙漠 | 高效 DNA 修复机制、锰离子（Mn²⁺）抗氧化复合物 | 核废料清理、辐射防护药物 |
| 嗜旱生物 | 极端干燥 | 色球藻（Chroococcidiopsis，存在于沙漠结皮中） | 沙漠，脱水食品 | 海藻糖积累，DNA/蛋白质保护 | 抗旱作物，疫苗稳定性 |
| 寡营养生物 | 营养匮乏 | 遍在远洋杆菌（海洋） | 开阔大洋，深层地下水 | 超高效代谢，小基因组 | 废水处理，低营养生物加工 |
| 耐金属 | 高浓度重金属 | 嗜酸铁原体（铜/砷） | 矿山尾矿，工业废料 | 金属外排泵，金属硫蛋白 | 有毒金属的生物修复 |
| 厌氧 | 无氧环境 | 产甲烷菌，梭菌 | 肠道微生物群，深层沉积物 | 替代电子受体（如 SO₄²⁻，CO₂） | 沼气生产，肠道微生物组研究 |
| 岩内生物 | 岩石内部 | 色球藻（南极岩石） | 南极干谷，地下环境 | 抗紫外线色素，缓慢代谢 | 地球化改造模型，生物特征探测 |
| 嗜二氧化碳生物 | 高浓度二氧化碳 | 弯曲杆菌 | 哺乳动物腔体，废水 | 碳固定嗜二氧化碳乳酸发酵 | 二氧化碳生物固定，病原菌培养 |
| 多重极端微生物 | 多种极端条件（例如：嗜热嗜酸菌） | 硫化叶菌（75°C + pH 3） | 火山热酸泉（75°C + pH 3） | 上述适应机制的组合 | 空间模拟研究，多用途工业酶 |
极端微生物展现出非凡的生存机制，使其能够在地球上最恶劣的环境中定居。这些微生物进化出了复杂的生化、结构和基因组适应能力，以抵御极端温度、pH值波动、高盐度、干燥和辐射。其关键生存机制包括：
- DNA 与蛋白质保护： 极端微生物通过多种方式保护其遗传物质和蛋白质免受变性与损伤：
- 热休克蛋白 (HSPs)： 诸如 Pyrococcus furiosus 中的 HSP70 等分子伴侣可防止蛋白质在高温下发生错误折叠。
- 反向旋转酶： 这种酶存在于超嗜热生物中，通过引入正超螺旋来稳定 100°C 以上高温环境下的 DNA。
- Radiation-resistant DNA repair: Deinococcus radiodurans uses homologous recombination and nucleotide excision repair to reassemble shattered chromosomes after extreme radiation exposure.
- 细胞膜与细胞壁的适应性： 极端微生物通过以下方式改变其细胞膜以维持流动性和完整性：
- 醚键脂质： 诸如 Sulfolobus 等古菌利用四醚脂质来抵御极端高温和酸性环境。
- 单层膜： 一些超嗜热生物形成脂质单层膜，以增强热稳定性。
- Acid-resistant cell walls: Picrophilus species maintain proton gradients with impermeable membranes at pH 0.
- 嗜盐生物的渗透压调节： 嗜盐生物通过以下方式在高盐度环境中生存：
- Compatible solutes: Halobacterium salinarum accumulates K⁺ ions and organic osmolytes (e.g., betaine) to balance osmotic pressure.
- “盐入”策略： 一些嗜盐生物利用特化的嗜盐酶，在接近饱和的盐度下维持高内部盐浓度以进行代谢。
- 代谢灵活性： 许多极端微生物利用非常规能源：
- Lithotrophy: Acidithiobacillus ferrooxidans oxidizes iron and sulfur in acidic mines.
- 厌氧产甲烷作用： 诸如 Methanopyrus kandleri 等产甲烷菌在热液喷口中产生甲烷。
- 辐射合成： 一些细菌利用放射性衰变引起的水辐射分解作用，在深层地下环境中产生能量。
- 隐生与休眠： 一些极端微生物在压力下进入假死状态：
- 脱水休眠： 缓步动物和某些细菌（如 Chroococcidiopsis）通过产生海藻糖来保护细胞结构，从而在完全脱水的情况下生存。
- Spore formation: Bacillus and Clostridium species form endospores resistant to heat, radiation, and chemicals.
极端微生物研究的最新发现
微生物生态学和基因组学的最新进展极大地扩展了我们对极端微生物多样性的认识，揭示了极端环境中全新的分类群和此前未知的适应策略。高通量测序和单细胞基因组学技术已在热液喷口、超酸性湖泊、极地冰盖和深层地下生物圈中发现了古菌和细菌内的隐秘谱系。对极端微生物群落的宏基因组研究确定了独特的代谢途径，例如深海嗜热生物中新颖的化能无机营养机制，以及嗜盐古菌中的混合光合作用系统。
在温泉中发现的阿斯加德古菌（Asgard archaea）引起了广泛关注，它为真核生物的进化提供了新见解，并促成了从核废料场中分离出具有前所未有的DNA修复能力的抗辐射细菌。科学家们还从秘鲁盐滩中分离出的一种耐盐枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）CH11菌株中，发现了一种新型II型L-天冬酰胺酶。由于该酶在食品工业和癌症治疗中的广泛应用，开发具有更高稳定性和效率的L-天冬酰胺酶变体已成为一项关键目标。
近期有报道称在洞穴中发现了独特的原核生物群落，这些特有类群能够适应局部的能量和营养条件。在罗马尼亚莫维莱洞穴（Movile Cave）的硫化物水域中，人们发现了一个新物种——Pseudocandona movilaensis。该洞穴拥有一个独特的化能自养生态系统，其生命活动依靠硫化氢氧化而非光合作用来维持。此外，嗜极细菌，尤其是嗜盐菌，也已在废弃的铜矿中繁衍。
细菌类嗜极生物，特别是候选门辐射群（CPR）细菌，是一类引人入胜的微生物，尤其是那些近期在酸性矿山排水环境中发现的菌群。它们的特征是体积极小、基因组精简，且依赖于与宿主生物的相互作用。
耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans）及其近亲（如奇球菌科的其他成员）以其卓越的抗辐射能力而闻名，特别是在核反应堆内部或附近等高电离辐射环境中。它们进化出了高效的系统，能够修复由辐射及干燥等其他压力引起的DNA损伤。
此外，非培养技术揭示了极端环境中存在的“微生物暗物质”，这表明存在一个尚未开发的系统发育和功能多样性宝库。这些发现不仅重新定义了地球生命的边界，还对天体生物学、生物技术以及气候变化适应力产生了深远影响。
然而，在培养这些生物并将基因组学见解转化为功能性理解方面，挑战依然存在。未来的研究应将多组学方法与先进的培养技术相结合，以探索这些新发现的嗜极生物的生态作用和生物技术潜力。
来自嗜极生物的生物活性化合物
嗜极生物能够产生独特的生物活性化合物，在医学、工业和生物技术领域具有潜在应用价值（见表2）。这些次级代谢产物——包括酶、抗菌剂和抗氧化剂——在严苛条件下表现出卓越的稳定性和功能性。近期在嗜极生物生物勘探方面的进展，已发掘出具有抗癌、抗炎和抗菌等治疗特性的新型化合物。此外，源自嗜极生物的酶（极端酶）因其在极端pH值、温度和盐度下的稳健性，在工业生产中极具价值。这些化合物为解决药物耐药性、工业催化和环境可持续性等挑战提供了新方案。
近期研究表明，超过40%的微生物生物活性化合物尚未被发现，而嗜极生物代表了一个主要的未开发资源。CRISPR-Cas系统（源自嗜热链球菌）和Taq聚合酶（源自水生栖热菌）是目前最成功的源自嗜极生物的生物技术工具。嗜盐菌、嗜热菌和嗜酸菌能够产生具有工业应用价值的抗菌剂、抗癌药物和可生物降解聚合物。
| 嗜极生物类型 | 关键生物活性化合物 |
|---|---|
| 嗜热菌 | 热稳定酶（DNA聚合酶、蛋白酶）、抗菌肽（硫化叶菌素） |
| 嗜冷菌 | 抗冻蛋白、冷活性酶（脂肪酶、蛋白酶） |
| 嗜盐菌 | 细菌红素（抗氧化剂）、嗜盐菌素（抗菌肽） |
| 嗜酸菌/嗜碱菌 | 耐酸纤维素酶、嗜碱蛋白酶 |
| 嗜压生物（嗜压菌） | 耐压酶、生物活性胞外多糖（EPS） |
| 耐辐射 | DNA修复酶、辐射防护化合物 |
各类组学技术和生物信息学的进步，揭示了许多此前未知的次级代谢产物、肽类和极端酶，它们在极端条件下表现出显著的生物活性。与传统药物相比，这些极端酶和次级代谢产物具有诸多优势，包括热稳定性（利于储存和运输）、新颖的结构（可绕过现有的耐药机制）以及高特异性（减少脱靶效应）。
突破性发现包括：
- 来自深海嗜热菌的超耐热抗菌肽，它们 通过新颖的成孔机制破坏细菌细胞膜。
- Radiation-resistant pigments from Deinococcus species that exhibit potent antioxidant activity via unique free radical scavenging pathways.
- Acid-stable antibiotics from Sulfolobus with modified thioether bridges that target drug-resistant pathogens through dual mechanisms of cell wall inhibition and membrane depolarization.
赋予极端环境下生物活性的结构适应性值得关注，例如嗜盐菌素中D-氨基酸的掺入、嗜压化合物的耐压折叠，以及嗜冷代谢产物中的抗冻修饰。这些化合物的分子靶点同样引人注目，包括它们与微生物膜的相互作用（例如嗜热脂肽对 脂质II的结合）、对关键酶的抑制（例如深海来源的盐孢酰胺对蛋白酶体的抑制），以及对核酸代谢的干扰（例如耐辐射细菌代谢产物对DNA的嵌入）。
创新的发现方法彻底改变了极端微生物的生物勘探，包括元组学引导的基因组挖掘、合成生物学平台中的异源表达，以及模拟极端条件下的高通量活性筛选。这些新颖方法已在医学领域实现了转化应用，例如针对多重耐药 ESKAPE病原体的下一代抗生素。在农业领域，已鉴定出基于极端微生物代谢产物的生物刺激素，而用于绿色化学的耐溶剂酶正在改变工业生物技术。
研究人员正通过利用计算建模和基于CRISPR的途径工程，解决化合物规模化生产和构效优化方面的挑战。这种极端微生物生物活性发现与机制理解的结合，为未来研究提供了路线图，并为开发应对全球健康和环境挑战的创新解决方案奠定了基础。
表3展示了源自极端微生物的现有药物/活性制剂及其应用。其中包括已获FDA批准的实例，如L-天冬酰胺酶和Taq聚合酶；有前景的临床前候选药物，如对抗抗生素耐药性的嗜盐菌素；以及在癌症治疗中有用的细菌红素。
| 极端微生物来源 | 生物活性制剂 | 疾病靶点/应用 | 作用机制 |
|---|---|---|---|
| 抗癌药物 | |||
| 嗜热栖热菌（嗜热生物） | L-天冬酰胺酶 | 急性淋巴细胞白血病 (ALL) | 消耗天冬酰胺，使癌细胞因缺乏营养而死亡 |
| 盐杆菌 (嗜盐菌) | 细菌红素 | 乳腺癌/结肠癌 | 抗氧化剂，诱导细胞凋亡 |
| 嗜热嗜酸杆菌 (嗜酸菌) | 耐酸蛋白酶 | 胰腺癌 (酸性肿瘤) | 在低 pH 值的肿瘤微环境中激活前体药物 |
| 耐辐射奇球菌 (耐辐射菌) | 锰配合物 | 辐射防护 (癌症治疗) | 清除活性氧 (ROS)，保护健康细胞 |
| 抗菌和抗真菌剂 | |||
| 地中海盐杆菌 (嗜盐菌) | 嗜盐菌素 | 耐甲氧西林金黄色葡萄球菌 (MRSA)、铜绿假单胞菌感染 | 破坏细菌细胞膜 |
| 硫磺矿硫化叶菌（嗜热嗜酸菌） | 硫化叶菌素 | 白色念珠菌（真菌感染） | 结合麦角固醇（真菌细胞膜） |
| 冷红海科尔韦氏菌（嗜冷菌） | 抗冻蛋白 | 生物膜预防（植入物） | 抑制细菌粘附 |
| 神经退行性疾病疗法 | |||
| 激烈火球菌（超嗜热菌） | 伴侣蛋白 | 阿尔茨海默病/帕金森病 | 防止蛋白质错误折叠 |
| 耐辐射异常球菌（耐辐射细菌） | 超氧化物歧化酶 | 帕金森病 | 减轻帕金森病中的氧化应激 |
| 抗病毒与基因编辑 | |||
| 嗜热链球菌（嗜热菌） | CRISPR-Cas9 | 艾滋病基因疗法 | 通过基因编辑切除病毒 DNA |
| 水生栖热菌（嗜热菌） | Taq DNA聚合酶 | 病毒诊断（艾滋病、人乳头瘤病毒、新冠肺炎） | 病毒 DNA 的 PCR 扩增 |
| 抗炎与免疫调节剂 | |||
| 麦氏交替单胞菌（深海菌） | 胞外多糖 | 类风湿性关节炎 | 抑制肿瘤坏死因子-α（抗炎作用） |
| 抗氧化剂与紫外线防护剂 | |||
| 嗜盐菌 | 细菌红素 | 营养保健品与抗衰老化妆品 | 抗氧化能力是 β-胡萝卜素的四倍 |
| 蓝细菌、微藻、烈火丝菌属（嗜热菌） | 类菌孢素氨基酸（MAAs） | 护肤品中的天然防晒成分 | 对紫外线 A 段和 B 段具有极强的吸收能力 |
| 工业极端酶 | |||
| 水生栖热菌 | Taq DNA聚合酶 | 分子生物学中的PCR扩增 | 防止酶在加热步骤中变性 |
| 嗜酸菌 | 漆酶 | 纺织染料的生物降解与生物修复 | 通过催化氧化作用促进纺织染料的生物降解与解毒 |
| 嗜冷菌 | 冷活性蛋白酶 | 环保洗涤剂与食品加工 | 使活性位点去稳定化，增强柔韧性，并使酶在低温下保持活性 |
尽管潜力巨大，但在培养和提取方面仍面临挑战。许多极端微生物目前仍难以培养，且需要更多的临床试验。未来的研究应利用宏基因组学和合成生物学来高效利用这些生物活性分子。
尽管如此，极端微生物所承受的独特进化压力，使其产生了具有卓越特性和新颖作用机制的生物活性化合物。随着发现技术的进步，这些生物体将在应对全球健康和环境挑战方面发挥至关重要的作用。对这些生物活性化合物进行系统性研究，不仅能扩充我们的药理学储备，还能为理解生命的适应性提供基础见解。
研究现状与新突破
我们对CAS内容合集（CAS Content Collection）的分析显示，过去25年里，与极端微生物相关的文献数量增加了两倍。专利数量相对较少，约占总文献的5%，但自2000年以来，年度专利申请量增长了四倍（见图1）。
我们的分析表明，蛋白质/肽和核酸与极端微生物的关联最为密切。在专利中，核酸占比不到50%；而在期刊中，蛋白质/肽占据主导地位，约占出版物的60%。小分子物质在文献中占比约8%（见图1B）。
我们还考察了相关文献中极端微生物类型的分布情况（见图2）。
通过这些分析，我们得出了一些重要的结论：
与极端微生物相关的文献中，数量最多的是贫营养生物，即在营养匮乏环境中繁衍的生物。
贫营养环境（如开阔海洋、深层地下和沙漠）覆盖了地球的大部分地区。因此，贫营养生物驱动着关键的生态过程，例如贫营养海洋中的碳固存、贫瘠土壤中的氮磷循环以及极端生态系统中的微生物多样性维持。它们在 极少资源 下生存的能力，使其在生物修复、生物能源（例如对底物需求极低的微生物燃料电池）以及适应极端匮乏环境的新型酶和生物活性化合物方面具有重要价值。随着气候变化导致贫营养环境不断扩大，了解贫营养生物有助于预测微生物对生态系统变化的响应，以及变暖海洋中碳储存的变化。
此外，贫营养生物能够在 类似于 火星、木卫二或土卫二等营养匮乏的环境中生存。研究它们有助于识别潜在的地外生命，为太空任务制定生命探测策略，并理解这些环境中的生存机制。早期地球营养有限，这使得贫营养生物可能成为古代生命的模拟对象。对它们的研究为原始微生物如何适应低营养条件以及代谢途径的起源提供了线索。
过去五年中，文献增长最快的极端微生物是多重极端微生物（约 51%）、嗜金属微生物（约 47%）和嗜辐射微生物（约 36%）。
- 多重极端微生物——即能在多种极端条件下同时生存的生物——近期在科学界引起了极大关注，因为它们挑战了生命的极限，并为生物学、天体生物学和生物技术提供了前所未有的见解。多重极端微生物产生的多功能酶和生物分子在极端工业条件下依然稳定。随着地球面临气温升高、海洋酸化和荒漠化，多重极端微生物有助于预测微生物在崩溃生态系统中的韧性、融化永久冻土中的碳循环以及在快速环境变化下的进化。
- 嗜金属微生物是能够在高浓度有毒金属（如砷、汞、镉、铀）环境中繁衍的微生物。它们在清理矿渣、工业废物、核废料场以及含汞和砷的水体等受污染场地方面发挥着关键作用。它们固定或转化有毒金属的能力，为化学清理提供了一种低成本、环保的替代方案。嗜金属微生物也是生物采矿的关键参与者，它们能从低品位矿石中提取铜、金和稀土元素等有价值的金属，从而减少了采矿过程中对氰化物等有毒化学品的需求。嗜金属微生物产生独特的生物分子以抵御金属毒性，包括金属结合肽和铁载体，这些可能成为新型抗生素的来源。它们含有的能使重金属解毒的酶可用于化疗药物开发，并且它们还具有抗辐射化合物。没有其他极端微生物能如此深入地与有毒金属相互作用，这使得它们在环境、工业和天体生物学领域具有不可替代的突破意义。
- 嗜辐射微生物在核废料场、太空宇宙射线或放射性矿床等高辐射环境中繁衍。像 放射耐受球菌 这样的嗜辐射微生物，由于拥有超高效的 DNA 修复酶，能够承受比人类致死剂量高出数千倍的辐射。这些机制可能 开启 癌症治疗、保护性抗氧化剂和 DNA 修复机制的新途径。嗜辐射微生物也正在被改造用于清理放射性污染：硫还原地杆菌 可以还原铀，使其在地下水中变得不易溶解；耐辐射红杆菌 能够在核反应堆冷却剂中生存并分解有毒同位素；研究人员正试图创造“超级嗜辐射微生物”用于切尔诺贝利或福岛式的清理工作。
专利占比最高的极端微生物是嗜酸微生物（约 11%）和嗜热微生物（约 9%）。
- 嗜酸微生物：这些微生物对于金属提取、酸性矿山废水修复以及回收 稀土元素（例如从废弃智能手机和电池中）至关重要。这使它们成为可持续采矿和循环经济战略的关键参与者。嗜酸微生物产生的耐酸酶可用于生物燃料生产（在低 pH 值下工作的纤维素酶、木聚糖酶）、食品工业和制药业，例如从酸性温泉中发现的新型抗生素。它们的酶在严苛的工业条件下往往表现优于传统酶。对它们的研究连接了微生物学、天体生物学、工业和环境科学，使其成为当今最具影响力的极端微生物群体之一。
- 嗜热微生物（在 45–80°C 高温下繁衍的生物）和超嗜热微生物（在 80°C 及以上温度下生长最佳）因其独特的生物学特性和工业应用，已成为极端微生物研究的主要焦点。它们产生的耐热极端酶在高温下仍能保持活性。这使得它们在聚合酶链式反应（PCR）中具有不可估量的价值。如前所述，来自 水生栖热菌 的 Taq 聚合酶彻底改变了 DNA 扩增技术。它们在医学和制药领域也有重要应用，例如用于诊断和药物合成的耐热酶。嗜热微生物产生的新型抗菌化合物有助于抗生素的发现，它们对癌症研究也至关重要，因为对嗜热微生物中热休克蛋白（HSP）的研究有助于理解细胞的应激反应。
在可再生能源和废物处理研究中，嗜热微生物参与生物燃料和生物氢的生产、沼气增强以及极端生物修复。耐热酶改善了食品工业中的酿造、烘焙和乳制品生产，嗜热蛋白酶和脂肪酶则增强了高温洗涤剂的去污能力。鉴于其广泛的应用，嗜热微生物在专利文献和商业用途中占据重要地位也就不足为奇了。
我们分析了 CAS 内容合集，以更好地了解与极端酶和生物分子相关的研究增长趋势（见图 3）：
图 4 展示了属于不同类别的极端微生物与所产生的极端酶类型之间相对共现的热图：
氧化酶是与极端微生物相关的文献数量最多的酶。
氧化酶因其生态意义、工业应用以及对极端条件的独特适应性，成为研究最多的极端酶之一。许多极端微生物（如嗜热微生物、嗜碱微生物和嗜盐微生物）依赖氧化酶在缺氧或极端环境中进行呼吸作用。此外，一些氧化酶还能帮助极端微生物在严苛条件下应对氧化应激。其热稳定性是关键所在——来自嗜热细菌的氧化酶在高温下仍保持活性，这在生物燃料生产、食品加工和废物处理中非常有用。它们对极端 pH 值、盐度和溶剂的耐受性在严苛的工业流程中也同样重要。
极端微生物氧化酶通常具有修饰过的蛋白质结构，例如嗜盐微生物中增强的离子键或嗜热微生物中紧凑的折叠，这使其具有极强的稳健性。研究这些适应性有助于酶工程的应用，涵盖从生物修复到医学的各个领域。
Extremophilic laccases, nucleases, glycosidases, and catalases exhibit the highest growth trend
Extremophilic laccases exhibit unique stability in harsh industrial conditions, outperforming other enzymes due to their thermostability (active at 70–100°C for biofuel and pulp processing), pH resistance (functioning in highly acidic/alkaline waste streams), and solvent tolerance (working in organic solvents for pharmaceutical synthesis). This makes them more industrially viable than many other extremozymes, which may lack such multi-stress resistance. Recent breakthroughs in metagenomics, directed evolution, and CRISPR-based editing have enabled the discovery of novel laccases from unculturable extremophiles and tailoring laccases for specific industrial needs. This has accelerated their development compared to other extremozymes.
Another class of enzymes, nucleases, has gained significant attention in recent years, rivaling laccases and other extremozymes in biotechnological and medical applications. Their ability to function under extreme conditions while maintaining precise DNA/RNA cleavage makes them indispensable in cutting-edge fields like genome editing, diagnostics, and synthetic biology. Extremophilic nucleases (e.g., thermostable Cas9 variants, TaqI restriction enzymes) are revolutionizing genetic engineering because their thermostability allows them to work in high-temperature PCR and gene-editing workflows. Salt- and solvent-tolerant nucleases enable DNA manipulation in non-standard lab conditions like direct environmental sample analysis. Engineered variants, including those from Pyrococcus or Thermus species, improve precision and efficiency in CRISPR-Cas systems. For example Thermus thermophilus (Tth) nuclease is used in hot-start PCR to prevent nonspecific amplification.
Extremophilic nucleases are essential for molecular diagnostics and point-of-care testing. Thermostable nucleases are key in rapid DNA/RNA detection (e.g., COVID-19 RT-PCR), while halophilic nucleases function in high-salt diagnostic buffers, improving shelf life for field-deployable tests. Acid/alkali-resistant nucleases allow DNA extraction from complex samples. Other essential usages of extremophilic nucleases include bioremediation and anti-biofilm applications, synthetic biology and DNA data storage, as well as pharmaceutical and antiviral applications.
Glycosidases (or glycoside hydrolases) from extremophiles have also surged in importance recently due to their unique ability to break down complex carbohydrates under extreme conditions, unlocking applications in biorefineries, medicine, food tech, and synthetic biology. Extremophilic glycosidases are game-changers in converting plant biomass into biofuels and biochemicals because thermostability (70–100°C) allows efficient saccharification of lignocellulose under industrial conditions. Their acid/alkali tolerance enables hydrolysis in pretreatment processes (e.g., steam explosion, acid digestion), and solvent resistance permits use in ionic liquids for biomass breakdown.
These glycosidases improve food processing efficiency and novel product development: thermoacidophilic α-amylases (e.g., from Sulfolobus) enhance high-temperature starch liquefaction for corn syrup production; cold-adapted β-galactosidases (psychrophiles) produce lactose-free milk at low energy costs; and halophilic glycosidases stabilize fermented foods in high-salt conditions (e.g., soy sauce, kimchi). Extremophilic glycosidases are also important for waste management, since enzymatic recycling of food and agricultural waste is now mandatory in the EU.
Catalases from extremophiles (extremocatalases) are another extremozyme class rapidly gaining attention due to their ability to thrive where hydrogen peroxide (H₂O₂) degradation is critical. They remain active under elevated temperatures, extreme pH, high salinity, and oxidative stress, opening doors to next-gen biotech, medicine, and environmental applications. Their thermostability (60–120°C) is essential for H₂O₂ removal in textile bleaching, paper processing, and food sterilization. Their alkali/acid resistance (pH 3–11) works in denim bleaching (pH 10–11) and dairy processing (pH 6–7) without enzyme denaturation. Further, their organic solvent tolerance is used in biofuel production where H₂O₂ is a byproduct.
Emerging uses of catalases in biomedicine include wound healing where extremocatalases degrade H₂O₂ in chronic wounds; accelerating tissue repair; antioxidant therapeutics, such as potential treatment for oxidative stress disorders like Alzheimer’s and Parkinson’s; and contact lens cleaning because halophilic catalases prevent H₂O₂-induced eye irritation in disinfectant solutions.
Exopolysaccharides produced by extremophiles have emerged as one of the most valuable microbial products
These complex sugars synthesized by extremophiles possess unique properties that make them superior to conventional polysaccharides. They exhibit unmatched thermostability (up to 130°C for Thermus spp. EPS); chemical resistance (pH 0.5-13, organic solvents); extreme hydration capacity (1,000× their weight in water); and radiation resistance. For example, Sulfolobus acidocaldarius EPS remains viscous at 95°C and pH 2, outperforming all commercial thickeners.
They are successfully used in many medical applications as well. Halomonas EPS forms hydrogel dressings that reduce wound healing time by 40%, prevents biofilm formation (90% MRSA inhibition), and self-sterilizes in saline environments. In drug delivery, Thermococcus EPS nanoparticles survive stomach acid intact, release drugs at precise body temperatures, and biodegrade after 72 hours. Lastly, in anti-cancer therapies, Rhodothermus EPS shows 60% tumor growth inhibition, zero cytotoxicity to healthy cells, as well as synergy with immunotherapy drugs.
To visualize the major concepts as well as specific types, topics, and applications related to extremophiles, we used a TrendScape map leveraging the publication landscape (see Figure 5):
Biotechnological and industrial applications of extremophiles
Biomedical applications:
Extremophile-derived bioactive compounds and enzymes are revolutionizing the pharmaceutical and biomedical industries due to their stability and novel mechanisms. They’ve already been critical to the development of CRISPR-Cas9 technology, and while the famous Cas9 from Streptococcus pyogenes has limitations in stability, the heat-adapted Cas enzymes such as Thermus thermophilus Cas9 work at high temperatures. Enzymes from acidophiles also enable gene editing in acidic environments (e.g., gut microbiome engineering). Radiophiles like Deinococcus radiodurans offer novel DNA-repair templates to enhance CRISPR accuracy and reduce off-target effects.
Biomolecules and extremozymes are driving new discoveries in cardiovascular research. For example, fibrinolytic enzymes from thermophiles like Geobacillus can dissolve blood clots more efficiently than current thrombolytics with higher temperature stability and longer circulation time. Antioxidant proteins from radiophiles neutralize oxidative stress, a key driver of atherosclerosis and heart failure. Extremophile lipids also show promise in cardiovascular drug delivery. For example, heat-stable liposomes from thermophiles improve targeted drug delivery to atherosclerotic plaques, while cold-adapted membrane transporters from Antarctic microbes help drugs penetrate calcified arteries more effectively.
Extremozymes also target protein aggregates, making them potentially transformative for tackling neurodegenerative diseases including, Alzheimer’s, Parkinson’s, and ALS. Thermophilic proteases (e.g., from Thermus aquaticus) degrade amyloid-beta and tau fibrils more efficiently than human enzymes, resisting the brain’s oxidative environment. Cold-adapted chaperones prevent α-synuclein misfolding in Parkinson’s by maintaining protein stability at low concentrations. It has been reported that Pyrococcus furiosus protease reduces amyloid plaques by 70% in transgenic mouse models.
In addition to these biomedical applications, hyperthermophiles like Thermococcus gammatolerans have been found to produce polyketides with antibacterial and anticancer properties, targeting multidrug-resistant pathogens and cancer cell lines. Extremozymes are also used in drug synthesis and the development of sensors and diagnostic tools.
For example, cold-active enzymes from psychrophiles are being integrated into biosensors for detecting biomarkers in low-temperature clinical settings, such as glucose monitoring for diabetes. Halophilic proteins like bacteriorhodopsin from Halobacterium salinarum are used in light-activated diagnostic systems. These applications demonstrate extremophiles’ potential for revolutionizing many aspects of biomedicine.
环境应用：
生物修复是指利用微生物降解或解毒环境污染物，这是极端微生物应用中日益增长的一个领域，特别是在常规微生物无法生存的极端条件下。
- Hydrocarbon degradation: Psychrophiles like Alcanivorax borkumensis degrade oil spills in cold marine environments, such as Arctic waters, by metabolizing hydrocarbons into non-toxic compounds. Thermophiles, such as Geobacillus thermodenitrificans, treat oil-contaminated industrial effluents at high temperatures, improving cleanup efficiency.
- 重金属修复：包括 Acidithiobacillus ferrooxidans在内的嗜酸微生物通过生物浸出法从矿山废料中提取铜和铀等重金属，从而降低环境毒性。来自高盐湖泊的嗜盐微生物如 Halomonas elongata能够螯合含盐工业废料中的镉等金属，进而修复受污染的场地。
- 塑料和异源生物降解：最新研究突显了极端微生物降解合成污染物的能力。例如，2024 年的一项研究 鉴定出一种嗜冷 Ideonella sakaiensis菌株，它能产生冷活性 PET 酶，这种酶可以在低温环境下分解聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料，为塑料废物管理提供了可持续的解决方案。
生物燃料和可再生能源应用：
极端微生物通过在极端条件下实现高效的生物燃料合成和生物质加工，为可持续能源生产做出了贡献。
- Bioethanol production: Thermophilic bacteria like Clostridium thermocellum produce cellulases that break down lignocellulosic biomass into fermentable sugars for bioethanol production. Their high-temperature activity reduces contamination risks and accelerates hydrolysis, lowering production costs.
- 沼气和氢气：产甲烷古 菌如 Methanothermobacter thermautotrophicus在高温厌氧消化器中生长旺盛，可将有机废物转化为甲烷以生产沼气。来自深海环境的嗜压细菌（如 Shewanella benthica）正被探索用于高压条件下的生物制氢，这提供了一种清洁能源替代方案。
- 藻类生物燃料：嗜盐微藻如 Dunaliella salina在高盐条件下积累脂质，这些脂质可加工成生物柴油。它们对盐碱环境的适应性使其能够在非耕地上进行种植，从而保护了淡水资源。
食品和饮料加工应用：
极端微生物通过提供能在工业食品生产的极端条件下发挥作用的酶，提升了食品加工水平。
- 乳制品和饮料加工：嗜冷蛋白酶和脂肪酶被用于奶酪成熟和果汁澄清，它们在低温下工作，从而保持了风味和营养品质。例如，Pseudoalteromonas酶改善了冷藏条件下的乳蛋白水解过程。
- 淀粉和糖加工：来自 Bacillus licheniformis的嗜热淀粉酶在高温工艺中水解淀粉，用于生产饮料和糖果所需的糖浆。这些酶确保了高产率并缩短了加工时间。
- 发酵：来自 Halobacterium属的嗜盐酶促进了盐渍发酵过程，例如在鱼露和酱油生产中，在高盐条件下增强了风味特征。
农业应用：
极端微生物通过生物农药、土壤修复和促进植物生长，为可持续农业做出了贡献。
- Soil remediation: Acidophilic bacteria like Acidithiobacillus rioensis mobilize heavy metals in contaminated soils, restoring agricultural land. Their sulfur-based metabolism detoxifies mining-affected areas.
- 植物抗逆性：来自 Halomonas elongata的嗜盐渗透保护剂（如四氢嘧啶）增强了植物对盐分和干旱的耐受力，提高了干旱地区的作物产量。2025 年的田间试验表明，使用四氢嘧啶处理的盐碱地中，小麦产量有所增加。
工业材料与工艺：
极端微生物被广泛应用于纺织、皮革和化妆品等行业，其强大的酶和化合物在严苛的加工条件下表现卓越。
- 纺织加工：来自嗜碱芽孢杆菌的嗜碱蛋白酶可去除蛋白质污渍，并促进碱性条件下的染色，从而提升纺织品质量并减少用水量。
- 皮革鞣制：嗜盐和嗜碱酶可在高盐或高pH值的鞣制工艺中进行脱毛和脱脂。它们还能替代有毒化学品。
- 化妆品：依克多因和来自盐藻等嗜盐生物的β-胡萝卜素被用于保湿霜和防晒霜中，由于其在高盐配方中的稳定性，能有效保护皮肤免受紫外线伤害和脱水。
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联系 CAS 团队极端微生物的未来方向
尽管前景广阔，但极端微生物在扩大应用范围方面仍面临挑战。培养苛养生物、酶纯化成本高昂以及生产规模化是三大主要障碍。宏基因组学和合成生物学正通过在大肠杆菌等易于操作的宿主中表达极端微生物基因来解决这些问题。
高通量筛选和人工智能驱动的生物勘探技术的进步，也在加速新型极端酶和化合物的发现。将极端微生物衍生技术与纳米技术和绿色化学相结合，有望进一步提升其效率和适用性。
为充分利用极端微生物的潜在益处，研究人员应聚焦于以下几个关键方向：
- 探索未被充分研究的极端环境：调查研究较少的极端环境（如深层地下、极端干旱的沙漠和高辐射区）可能会发现具有前所未有适应能力的极端微生物。
- 生存策略的机制洞察：应采用先进的基因组学、蛋白质组学和代谢组学方法，破译极端微生物韧性背后的分子机制。
- 合成生物学与酶工程：通过基因改造和定向进化利用极端微生物衍生的生物分子，可增强其工业适用性。
- 天体生物学与太空任务：应进一步研究极端微生物，将其作为潜在地外生命的模型，特别是在火星模拟环境以及木卫二和土卫二等冰冻卫星上。
- 跨学科合作：结合微生物学、生物信息学、材料科学和工程学，将加速相关发现与应用。
随着技术的进步，极端微生物将继续重塑我们对生命适应性的认知，并为我们面临的一些重大挑战提供解决方案。
欲了解更多信息，请参阅我们的期刊文章，《极端微生物：解锁生命边缘的生物活性化合物与生物技术创新》。
