POST. MIKROBIOL., RÓ¯NORODNE FUNKCJE 2010, 40, 2, 105114 http://www.pm.microbiology.pl WYBRANYCH PIGMENTÓW BAKTERYJNYCH
Krystyna I. Wolska*1, Anna M. Grudniak1, Anna Kraczkiewicz-Dowjat1, Anna Kurek1
1Zak³ad Genetyki Bakterii, Instytut Mikrobiologii, Wydzia³ Biologii, Uniwersytet Warszawski ul. Miecznikowa 1, 02-096 Warszawa
Wp³ynê³o w lutym 2010 r.
1. Wstêp. 2. Pigmenty jako czynniki wirulencji. 2.1. Pseudomonas aeruginosa i piocyjanina. 2.2. Staphylococcus aureus i stafylo- ksantyna. 2.3 Inne bakterie chorobotwórcze i ich pigmenty. 3. Funkcje pigmentów nie zwi¹zane z chorobotwórczoci¹. 3.1. Fotosyn- teza. 3.2. Pozyskiwanie ¿elaza. 3.3. Ochrona przed szkodliwym dzia³aniem czynników rodowiskowych i zwi¹zków antybakteryjnych. 4. Mo¿liwoæ zastosowania pigmentów bakteryjnych w medycynie i przemyle. 5. Podsumowanie Various functions of selected bacterial pigments Abstract: Bacterial pigments are produced by numerous bacterial species. Their production gives the bacteria an advantage in their competition for environmental niches. Several pigments produced by pathogens, e.g. staphyloxanthin of S. aureus or pyocyanin of P. aeruginosa have been proved to be important factors of virulence and their modes of action are well established. In natural environment, such as soil or water, bacterial pigments are indispensable for photosynthesis. They are also able to protect bacteria against harmful effect of temperature, osmolarity, radiation and antibacterial compounds and also to help bacteria in iron acquisition via the pathways alternative to siderophores. Recently, studies have been conduced on antibacterial therapy based on pigment inhibition and the potential use of pigments in the industry and medicine, mainly as an anticancer agents. Introduction. 2. Pigments as the virulence factors. 2.1. Pseudomonas aeruginosa and pyocyanin. 2.2. Staphylococcus aureus and staphyloxanthin. 2.3. Other pathogenic bacteria and their pigments. 3. Functions of pigments other than virulence determinants. 3.1. Photosynthesis. 3.2. Acquisition of iron. 3.3. Protection against harmful environmental factors and antibacterials. 4. Possibility of medical and commercial application of bacterial pigments. 5. Summary
S³owa kluczowe: pigmenty bakteryjne, czynniki wirulencji, fotosynteza, pozyskiwanie ¿elaza, ochrona przed stresem Key words: bacterial pigments, virulence factors, photosynthesis, iron acquisition, stress protection
1. Wstêp menty bakteryjne maj¹ aktywnoæ antybiotyczn¹ oraz, co bardzo wa¿ne, s¹ czynnikami wirulencji chorobo- Wiele gatunków bakterii nale¿¹cych do kilku ty- twórczych bakterii. Te wszystkie naturalne funkcje pów taksonomicznych posiada zdolnoæ do syntezy bakteryjnych barwników bêd¹ omówione w nastêp- zwi¹zków barwnych. Gatunki barwne, nie tylko bak- nych rozdzia³ach tego opracowania. Nale¿y tak¿e teryjne, maj¹ istotn¹ przewagê w naturalnym ro- zaznaczyæ, ¿e kolorystyka poszczególnych gatunków dowisku bytowania, co jest szczególnie widoczne znajduje odbicie w ich nazwie, na przyk³ad Staphy- w przypadku zwierz¹t krêgowych, których jaskrawe lococcus aureus (gronkowiec z³ocisty) lub Chromo- ubarwienie zwiêksza atrakcyjnoæ osobników dla p³ci bacterium violaceum (gatunek bakteryjny o zabarwie- przeciwnej, u³atwia kamufla¿ a tak¿e odstrasza poten- niu fioletowym). Pigmentacja jest tak¿e cech¹ u³atwia- cjalnych wrogów. Wszystkie te korzyci zwi¹zane s¹ j¹c¹ identyfikacjê danego gatunku, szczególnie istotn¹ ze zdolnoci¹ zwierz¹t do percepcji ró¿nych kolorów, w diagnostyce klinicznej. co a priori jest niemo¿liwe u bakterii. Mimo tego, Badania funkcji barwników oraz szlaków ich bio- korzyci, które czerpi¹ barwne bakterie s¹ liczne i ró¿- syntezy w komórce bakteryjnej prowadzone s¹ inten- norodne, a ich przewaga selekcyjna nad gatunkami sywnie od oko³o 20 lat. Eksperymenty wykonuje siê lub mutantami bezbarwnymi jest znaczna. Korzyci te zarówno in vivo, g³ównie przez porównanie fenotypu polegaj¹ na: zdobywaniu pokarmu i energii (bakterie bezbarwnego mutanta z barwnym szczepem wyjcio- fotosyntetyzuj¹ce), pozyskiwaniu ¿elaza ze rodowi- wym, jak i in vitro, badaj¹c wp³yw izolowanych pig- ska, ochronie przed szkodliwym dzia³aniem wiat³a mentów na rodowisko (w wypadku bakterii chorobo- widzialnego o du¿ym natê¿eniu, promieniowania ultra- twórczych na komórki zainfekowanego gospodarza). fioletowego, ekstremalnych temperatur, jak równie¿ W ostatnich latach sta³o siê mo¿liwe wykorzystanie zwi¹zków o dzia³aniu antybakteryjnym, produkowa- w tych badaniach technik stosowanych w biologii nych przez inne organizmy. Poza tym niektóre pig- molekularnej i biotechnologii, co przybli¿a dog³êbne
* Autor korespondencyjny: Zak³ad Genetyki Bakterii, Instytut Mikrobiologii, Wydzia³ Biologii, Uniwersytet Warszawski, ul. Miecznikowa 1, 02-096 Warszawa, tel.: (22) 554 13 02, e-mail: [email protected] 106 KRYSTYNA I. WOLSKA, ANNA M. GRUDNIAK, ANNA KRACZKIEWICZ-DOWJAT, ANNA KUREK poznanie zarówno regulacji syntezy pigmentów jak a szczególnie P. aeruginosa, stanowi¹ du¿e zagro¿e- i mechanizmów ró¿norodnego (plejotropowego) ich nie zdrowotne. dzia³ania na komórki organizmów wy¿szych oraz mo- P. aeruginosa wytwarza cztery pigmenty, z których lekularnych podstaw udzia³u barwników w chorobo- najwa¿niejszym jest piocyjanina, koloru niebiesko- twórczoci bakterii. zielonego. Barwnik ten jest wydzielany poza komór- kê, nadaj¹c charakterystyczne szmaragdowe zabar- wienie pod³o¿u hodowlanemu lub wydzielinie p³ucnej 2. Pigmenty jako czynniki wirulencji osób zaka¿onych tym patogenem. Innymi barwnikami P. aeruginosa s¹: zielona, zdolna do fluorescencji 2.1. Pseudomonas aeruginosa i piocyjanina fluoresceina (piowerdyna), czerwona piorubina oraz br¹zowa melanina. Barwa dwóch ostatnich bywa Gramujemne pa³eczki, P. aeruginosa (klasa Gam- maskowana przez zielony kolor piocyjaniny. Piocyja- maproteobacteria, rodzina Psedomonadaceae) cha- nina (1-hydroksy-5-metylofenozyna) jest zwiterjonem rakteryzuj¹ siê zdolnoci¹ do przeprowadzania bardzo (Rys. 1A). T¹ nazw¹ okrelane s¹ zwi¹zki, w których licznych reakcji biochemicznych, które nale¿¹ do w jednej cz¹steczce i blisko siebie znajduj¹ siê grupy ró¿norodnych szlaków metabolicznych. W zwi¹zku na³adowane dodatnio i ujemnie. Taka struktura umo¿- z tym, bakterie te mo¿e rosn¹æ w ró¿nych rodowis- liwia swobodne przechodzenie cz¹stek przez b³ony kach i maj¹ zdolnoæ do infekcji wielu gatunków biologiczne. Piocyjnina jest wa¿nym czynnikiem wi- organizmów eukariotycznych, od ameby do cz³owieka. rulencji P. aeruginosa. Powoduje znaczny wzrost stê- U ludzi wywo³uj¹ liczne schorzenia, w tym: zapalenie ¿enia reaktywnych form tlenu RFT (ang. reactive ucha rodkowego, zapalenie stawów, zapalenie wsier- oxygen substances ROS) w komórkach eukariotycz- dzia, choroby uk³adu moczowego, zaka¿enia ran, na nych. Ma to zwi¹zek ze zdolnoci¹ tego barwnika do przyk³ad powsta³ych w wyniku poparzeñ. Ogromny przenoszenia elektronów ze zwi¹zków zredukowa- potencja³ chorobotwórczy P. aeruginosa zwi¹zany jest nych, np. glutationu, na tlen, a to prowadzi do obni¿e- z syntez¹ przez tê bakteriê kilku czynników wirulen- nia w eukariotycznej komórce stê¿enia antyoksydan- cji, z których najwa¿niejszymi s¹ proteazy, hemolizy- tów z jednoczesnym zwiêkszeniem stê¿enia zwi¹zków ny, adhezyny i egzotoksyny. Te ostatnie odpowiadaj¹ silnie utleniaj¹cych, którymi s¹ RFT [42]. Obser- za martwicê tkanek i problemy z leczeniem zainfeko- wowano równie¿ zahamowanie aktywnoci katalazy wanych ran. Egzotoksyny s¹ transportowane bezpo- przez ten barwnik [41]. Wszystkie RFT zawieraj¹ rednio do komórek eukariotycznych przez system w cz¹steczkach reaktywne, niesparowane elektrony. sekrecji typu III, który, jako taki, mo¿e byæ tak¿e uwa- Przyk³adami tych zwi¹zków s¹ wolne rodniki, nad- ¿any za czynnik wirulencji tej bakterii [61]. Jednak, tlenki oraz tlen singletowy (O = O). Ograniczona iloæ mimo obecnoci tak licznych czynników odpowiedzial- RFT powstaje w komórkach eukariotycznych jako nych za patogennoæ, gatunek ten rzadko infekuje osob- naturalne produkty metabolizmu i pe³ni wa¿ne funk- niki zdrowe, a to ze wzglêdu na s³ab¹ zdolnoæ do ko- cje w oksydatywnej, mitochondrialnej fosforylacji, lonizacji i niszczenia komórek nab³onka. Dlatego te¿ apoptozie czy krzepniêciu krwi [35]. Zwiêkszenie stê- P. aeruginosa jest klasycznym przyk³adem patogenu ¿enia RFT bêd¹ce typowym skutkiem wielu infekcji oportunistycznego, gronego dla osób z obni¿on¹ od- bakteryjnych, nazywane stresem oksydacyjnym, jest pornoci¹, z czym wi¹¿¹ siê ró¿norodne zaka¿enia wa¿nym czynnikiem obrony gospodarza przed infe- szpitalne, których jest przyczyn¹. Do czynników ryzy- kuj¹cymi patogenami (patrz ni¿ej). Jednak masywny, ka zaka¿eniem P. aeruginosa nale¿¹: AIDS, choroba zwi¹zany z aktywnoci¹ piocyjaniny stres oksyda- nowotworowa, cukrzyca, a zw³aszcza mukowiscydoza. cyjny po infekcji P. aeruginosa ma wielorakie skutki Wolno ¿yj¹ce komórki P. aeruginosa s¹ niezwykle destrukcyjne. Olbrzymie zwiêkszenie RFT w komór- ruchliwe dziêki obecnoci d³ugiej, pojedynczej rzêski kach ¿ernych neutrofilach prowadzi do ich apop- umiejscowionej na biegunie bakterii. Gatunek ten tozy, zanotowano równie¿ zmniejszenie wydzielania ma tak¿e zdolnoæ do wzrostu w postaci biofilmu. cytokin, co skutkuje supresj¹ uk³adu immunologicz- Pojedyncze komórki tworz¹ce tê strukturê s¹ zle- nego [2]. Oksydacyjny stres zaburza tak¿e homeosta- pione, i przez to unieruchomione, przez wielocukier, zê jonów wapnia, a co za tym idzie sekrecjê luzu, alginian, tworz¹cy tzw. macierz biofilmu [44]. Bio- rytmiczny ruch rzêsek w górnych drogach oddecho- filmy tworz¹ siê na granicy faz, a wiêc, miêdzy inny- wych, a nawet prowadzi do uszkodzenia nab³onka mi, na powierzchniach urz¹dzeñ medycznych np. [25]. Wyniki badañ in vivo prowadzone na modelu drenów, cewników, szkie³ kontaktowych. Substancje mysim wykaza³y, ¿e piocyjanina odpowiedzialna jest antybakteryjne, w tym antybiotyki, s³abo dzia³aj¹ na za nekrozê tkanki p³ucnej [29]. Barwnik ten ma tak¿e bakterie znajduj¹ce siê w biofilmie; w zwi¹zku z tym silne dzia³anie antybiotyczne, co zostanie omówione wszystkie patogeny zdolne do tworzenia biofilmów, w nastêpnym rozdziale. RÓ¯NORODNE FUNKCJE WYBRANYCH PIGMENTÓW BAKTERYJNYCH 107
Rys. 1. Chemiczna struktura wybranych pigmentów bakteryjnych. (A) piocyjanina P. aeruginosa, (B) stafyloksantyna S. aureus, (C) porfiryna P. gingivalis, (D) wiolaceina C. violaceaum, (E) melanina C. neoformans, (F) granadyna streptokoków grupy B, (G) chlorofil a, (H) bakteriochlorofil a, (J) prodigiozyna S. marcescens
W tym miejscu nale¿y wspomnieæ, ¿e niedawno 2.2. Staphylococcus aureus i stafyloksantyna ukaza³o siê wyczerpuj¹ce opracowanie dotycz¹ce in- nej klasy pigmentów piowerdyn, fluoryzuj¹cych Staphylococcus aureus (klasa Bacilli, rodzina barwników) zaliczanych do sideroforów. W pracy Staphylococcaceae) jest Gram-dodatnim, koagulazo- mo¿na znaleæ informacjê dotycz¹ce , miêdzy innymi, dodatnim ziarniakiem, którego komórki tworz¹ nie- roli piowerdyn w ochronie biologicznej rolin oraz regularne skupienia przypominaj¹ce grona. Bytuje o ich znaczeniu i zastosowaniu w medycynie [24]. g³ównie na skórze i b³onach luzowych naczelnych, 108 KRYSTYNA I. WOLSKA, ANNA M. GRUDNIAK, ANNA KRACZKIEWICZ-DOWJAT, ANNA KUREK ale równie¿ innych ssaków i ptaków. Sporadycznie komórkowych. Wykazano eksperymentalnie, ¿e obec- izolowany jest z gleby, wody s³odkiej i morskiej, naj- noæ stafyloksantyny czyni komórki bardziej opornymi prawdopodobniej z miejsc zanieczyszczonych produk- na szkodliwe dzia³anie wody utlenionej, podchlorynu tami pochodzenia zwierzêcego. Szacuje siê, ¿e przynaj- i wolnych rodników oraz sprawia, ¿e wiêksza iloæ mniej 10% populacji ludzkiej jest stale lub okresowo bakterii prze¿ywa w neutrofilach [7]. Udowodniono nosicielami S. aureus, najczêciej w jamie nosowej. równie¿, ¿e bezbarwny mutant S. aureus charakteryzu- W zwi¹zku z powy¿szym gatunek ten mo¿e byæ okre- je siê znacznie mniejsz¹ patogennoci¹ dla myszy, po lany mianem patogenu oportunistycznego. Mimo to podskórnym wprowadzeniu zawiesiny bakterii [32]. schorzenia przez niego wywo³ywane s¹ bardzo gro- ne i charakteryzuj¹ siê du¿¹ miertelnoci¹. Z chorób 2.3. Inne bakterie i ich pigmenty o etiologii gronkowcowej nale¿y wymieniæ: zaka¿e- nia skóry i tkanek miêkkich (czyraki, jêczmieñ, ropnie Porphyromonas gingivalis (klasa Bacteroidia, ro- równie¿ ran pooperacyjnych, zapalenie sutka, zapale- dzina Porphyromonadaceae) jest beztlenow¹ bakteri¹ nie mieszka w³osowego), infekcje uk³adowe (zapale- wywo³uj¹c¹ niektóre odmiany paradontozy. Oprócz nie szpiku kostnego i koci, p³uc, wsierdzia, opon móz- tego mo¿e powodowaæ schorzenia przewodu pokar- gowo-rdzeniowych, uk³adu moczowego, posocznicê mowego i uk³adu oddechowego. Gatunek ten produ- gronkowcow¹), oraz choroby zwi¹zane z dzia³aniem kuje kolagenazê, i w³anie rozk³ad kolagenu przyczy- swoistych toksyn (chorobê Rittera, zatrucia pokar- nia siê do rozwoju paradontozy. Podczas wzrostu na mowe). S. aureus syntetyzuje wiele czynników wiru- agarze z krwi¹, bakteryjne kolonie maj¹ czarne zabar- lencji, z których szczególnie grone s¹ toksyny en- wienie wskutek syntezy porfiryny. Porfiryny s¹ zwi¹z- terotoksyny (odpowiedzialne za zatrucia pokarmowe), kami heterocyklicznymi, zawieraj¹cymi cztery pier- hemolizyny, koagulaza, egzofoliatyna, leukocydyna, cienie pirolowe (Rys. 1C) [5]. Pigment produkowany czynnik CF, hialuronidaza, fibrynolizyna. Nale¿y jesz- przez P. gingivalis powstaje w wyniku proteolitycznej cze nadmieniæ, ¿e gatunek ten ma du¿¹ zdolnoæ do degradacji hemoglobiny [51]. Porfiryna jest silnym wzrostu w postaci biofilmów, co podobnie jak w przy- przeciwutleniaczem i chroni komórki patogenu przed padku P. aeruginosa, potêguje jego chorobotwórczoæ. antybakteryjnym dzia³aniem RFT [52]. Ostatnio izoluje siê coraz wiêcej szczepów opornych Wzglêdnie beztlenowa, wytwarzaj¹ca antybiotyki na antybiotyki $-laktamowe powszechnie stosowane bakteria, czêsto izolowana z gleb i wód subtropikal- w leczeniu chorób wywo³ywanych przez gronkowce, nych i tropikalnych, Chromobacterium violaceum czego przyk³adem s¹ szczepy MRSA (methicilin resi- (klasa Betaproteobacteria, rodzina Neisseriaceae), stant S. aureus) [16]. mo¿e byæ sporadyczn¹ przyczyn¹ zaka¿eñ skórnych S. aureus wytwarza dwa pigmenty, z³ot¹ stafylo- i sepsy [11]. Gatunek ten zdolny jest do produkcji ksantynê oraz, w mniejszej iloci, ¿ó³t¹ 44-diapone- kilku antybiotyków, a w obecnoci tlenu wytwarza fio- noporynê, które s¹ odpowiedzialne za barwê komórek. letowy barwnik, wiolaceinê, która ma równie¿ w³aci- Ta pierwsza jest wa¿nym czynnikiem wirulencji gron- woci antybiotyczne, o czym bêdzie wzmianka w na- kowca [32]. Stafyloksantyna nale¿y do karotenoidów. stêpnym rozdziale. Wiolaceina, w³aciwie wiolaceina Zwi¹zki te s¹ powszechnie syntetyzowane przez roli- 5 (Ryc. 1D), jest pochodn¹ pirolidyny i wytwarzana ny ($-karoten), grzyby i glony. Wiele z nich znajduje jest z L-tryptofanu i cz¹steczkowego tlenu przy udziale zastosowanie w medycynie, kosmetologii i jako do- piêciu enzymów, VioA E [3]. Podobnie do uprzed- datek do pasz. Ostatnio wykazano, ¿e dieta bogata nio omówionych pigmentów, barwnik ten jest silnym w karotenoidy zmniejsza ryzyko zachorowania na raka przeciwutleniaczem, wydajnie usuwaj¹cym RFT z ko- [9]. Chemicznie, karotenoidy s¹ mieszanymi cyklicz- mórek eukariotycznych. Wydaje siê, ¿e wiolaceina ma no-liniowymi polienami; stafyloksantyna zawiera szczególne znaczenie w ochronie przed utlenianiem szkielet wêglowy C30 z naprzemiennie u³o¿onymi lipidów znajduj¹cych siê w os³onach bakteryjnych [28]. pojedynczymi i podwójnymi wi¹zaniami (Rys. 1B) Stosunkowo nieliczne bakterie chorobotwórcze, [46]. Taka budowa chemiczna sprawia, ¿e stafyloksa- w tym Proteus mirabilis (klasa Gammaproteobacteria, nyna, jak i inne karotenoidy, jest silnym antyoksydan- rodzina Enterobacteriaceae) wywo³uj¹cy zaka¿enia tem, ³atwo ulega utlenieniu, absorbuj¹c energiê z RFT uk³adu moczowego i ran, Vibrio cholerae (klasa Gam- [12]. Jak ju¿ wy¿ej wspomniano, po infekcji bakteryj- mapropteobacteria, rodzina Vibrionaceae), czynnik nej iloæ RFT w zaatakowanym organizmie wzrasta, etiologiczny cholery oraz Burkholderia cenocepacia zw³aszcza w komórkach ¿ernych, miêdzy innymi (klasa Betaproteobacteria, rodzina Burkhoderiaceae), neutrofilach, co ma zasadnicze znaczenie w procesie która jest oportunistycznym patogenem i powoduje neutralizacji bakterii. Efektywnoæ stafyloksantyny infekcje osób chorych na mukowiscydozê i chronicz- w usuwaniu RFT potêgowana jest jej komórkow¹ lo- n¹ granulocytozê, maj¹ zdolnoæ do syntezy ciemno- kalizacj¹ barwnik ten umiejscowiony jest w os³onach br¹zowych lub czarnych barwników z grupy melanin RÓ¯NORODNE FUNKCJE WYBRANYCH PIGMENTÓW BAKTERYJNYCH 109
[39]. W tym miejscu nale¿y nadmieniæ, ¿e barwniki te wspólne z etapami biosyntezy cholesterolu u ludzi s¹ bardzo rozpowszechnione u Eukaryota, wystêpuj¹ katalizowanymi przez syntetazê skwalenow¹ [7]. u zwierz¹t i patogennych grzybów takich jak Crypto- W zwi¹zku z tym, inhibitory syntetazy skwalenowej coccus neoformans i Aspergillus fumigatus [34]. Licz- np. fosfonosulfonian, hamuj¹ równie¿ wytwarzanie ne pozycje literaturowe dotycz¹ funkcji melanin w³a- barwnika przez S. aureus, czyni¹c komórki bakteryjne nie u tych organizmów. Wszystkie pigmenty nale¿¹ce bardziej podatnymi na usuwanie przez RFT. Udowod- do tej grupy s¹ zwi¹zkami charakteryzuj¹cymi siê niono eksperymentalnie 98%. skutecznoæ tego zwi¹z- du¿¹ mas¹ cz¹steczkow¹ i ujemnym ³adunkiem, sk³a- ku w eliminacji patogenu eksperymentalnie wprowa- daj¹ siê z reszt fenolowych i indolowych (Rys. 1E) dzonego do myszy [33]. [59]. Melaniny stanowi¹ przyk³ad silnych przeciw- utleniaczy, stabilizuj¹ wolne rodniki, maj¹ zdolnoæ do wi¹zania niesparowanych elektronów w RFT, z czym 3. Funkcje pigmentów nie zwi¹zane wi¹¿e siê ich dzia³anie ochronne dla komórek bakte- z chorobotwórczoci¹ ryjnych, a to poci¹ga za sob¹ zwiêkszon¹ wirulencjê szczepów produkuj¹cych te pigmenty [38]. 3.1. Fotosynteza Paciorkowce nale¿¹ce do grupy B (klasa Bacilli, rodzina Streptococcaceae) syntetyzuj¹ czerwono-po- Niew¹tpliwie najwa¿niejsz¹ funkcj¹ barwników marañczowy pigment, granadynê, pochodn¹ ornityny jest ich kluczowa rola jak¹ pe³ni¹ w procesie fotosyn- (Rys. 1F) [49]. Ta grupa bakterii wywo³uje grone tezy. Organizmy prokariotyczne, podobnie jak rolinny infekcje u noworodków, a wirulencja szczepów zwi¹- wy¿sze, maj¹ zdolnoæ do przeprowadzania fotosyn- zana jest miêdzy innymi z produkcj¹ barwnika, czemu tezy, która jest procesem dostarczaj¹cym organizmowi towarzyszy synteza innego czynnika wirulencji, beta energii chemicznej powsta³ej w wyniku przetworzenia hemolizyny/cytolizyny [53]. Eksperymentalnie udo- energii wietlnej oraz budulca w postaci produktów wodniono zwiêkszone prze¿ycie barwnych pacior- asymilacji dwutlenku wêgla. Warunkiem zajcia tego kowców w makrofagach wskutek ich zdolnoci do procesu jest obecnoæ w ich komórkach specyficz- usuwania RFT [31]. nych barwników lub ich kompleksów odnajdywanych Przedstawione przyk³ady przekonuj¹, ¿e wirulen- w ró¿nych strukturach, które dziel¹ siê na: chromato- cja bakterii zwi¹zana jest w znacznym stopniu z ich fory (u bakterii purpurowych i siarkowych), tylakoidy zdolnoci¹ do syntezy barwników, które zazwyczaj (u sinic) oraz chlorosomy b³oniaste struktury uformo- pe³ni¹ funkcjê polegaj¹c¹ na ochronie patogenów wane w rurki (u bakterii zielonych). We wszystkich przed destrukcyjnym dzia³aniem RFT, a u P. aerugi- uk³adach fotosyntetycznych zawarte s¹ substancje foto- nosa indukuj¹ wzmo¿on¹ produkcjê RFT, co z kolei chemicznie czynne, mo¿na tu wyró¿niæ: chlorofile a, b, dzia³a szkodliwie na komórki ¿erne makroorganizmu. d, karotenoidy, fikobiliny oraz bakteriochlorofile a, b, W zwi¹zku z powy¿szym, podjêcie prób zbadania c, d, e i g. W sk³ad cz¹steczki chlorofilu wchodz¹ czte- zastosowania zwi¹zków hamuj¹cych szlaki syntezy ry piercienie pirolowe po³¹czone mostkami (= CH-) barwników w terapii chorób wywo³ywanych przez tworz¹ce porfinê, z której po do³¹czeniu ³añcuchów barwne patogeny wydaje siê dzia³aniem celowym. Jak bocznych, powstaje porfiryna [14]. Chlorofile zawiera- dot¹d sukcesy na tym polu nie s¹ liczne, choæ takie j¹ 2 grupy karboksylowe, z których jedna jest zawsze podejcie a priori ma przewagê nad innymi rodzaja- zestryfikowana d³ugo³añcuchowym niepolarnym alko- mi terapii np. stosowaniem antybiotyków, poniewa¿ holem (najczêciej fitolem). Chlorofil a przy drugim pozwala na eliminacjê specyficznego gatunku. Naj- piercieniu pirolowym posiada grupê -CH3 a chlorofil b wiêcej publikacji dotyczy potencjalnych mo¿liwoci -CHO. Centraln¹ pozycjê w uk³adzie porfirynowym, leczenia chorób wywo³ywanych przez Cryptococcus zajmuje atom Mg zwi¹zany z atomami azotu. Absorb- neoformans przez zahamowanie produkcji melaniny cja energii wietlnej prowadzi do wyrzucenia z cz¹- przez ten grzyb [40], a wiêc opis uzyskanych wyników steczki chlorofilu elektronów o du¿ej energii, które przekracza ramy tego opracowania. Wydaje siê, ¿e po- przechodz¹c przez ³añcuch transportu elektronów dobny rodzaj terapii mo¿e nied³ugo znaleæ zastosowa- dostarczaj¹ energii do wytworzenia si³y protonomoto- nie w leczeniu paradontozy wywo³anej przez P. gingi- rycznej i/lub bezporedniej redukcji NADP. U cyano- valis po zastosowaniu silnego, monochromatycznego bakterii (sinic) fotosynteza przebiega inaczej ni¿ wiat³a, które jest poch³aniane przez czarny pigment, u bakterii anoksygenowych (tj. nie wytwarzaj¹cych porfirynê [1]. Du¿e nadzieje wi¹¿e siê równie¿ z le- tlenu), takich jak bakterie purpurowe i zielone i jest czeniem chorób powodowanych przez S. aureus. Jak przyk³adem oksygenicznego typu fotosyntezy bardzo wspomniano, z³ocisty barwnik produkowany przez zbli¿ónego do fotosyntezy rolin [14, 17]. W bakterio- tê bakteriê jest karotenoidem. Szlak jego syntezy ma chlorofilach zamiast alkoholu fitolu mo¿e wystêpo- pocz¹tkowe etapy, katalizowane przez bia³ko CrtA, waæ farnezol lub geranylogeraniol. Wzory strukturalne 110 KRYSTYNA I. WOLSKA, ANNA M. GRUDNIAK, ANNA KRACZKIEWICZ-DOWJAT, ANNA KUREK chlorofilu a oraz bakteriochlorofilu a zosta³y przed- ksimami absorpcji P870 i P890, odpowiednio, oraz stawione na rys. 1G i H. Barwnikami pe³ni¹cymi rolê bakterie purpurowe bezsiarkowe Rhodospirillaceae, pomocnicz¹ w procesie fotosyntezy s¹ karoteny i ksan- które w warunkach tlenowych przechodz¹ na hetero- tofile [56]. Poch³aniaj¹ one promieniowanie niebiesko- trofizm. Maksimum absorpcji ich bakteriochlorofilu a fioletowe i przekazuj¹ energiê chlorofilowi a, ponadto wynosi P870 a bakteriochlorofilu b P960. U bak- chroni¹ chlorofil przed fotooksydacj¹ mo¿liw¹ w wa- terii nale¿¹cych do Chromatiaceae (np. Chromatium, runkach nadmiernego owietlenia. Podstawow¹ jed- Thiospirillum, Thiophlycoccus) donorami elektronów nostk¹ strukturaln¹ karotenów jest izopren [56, 19]. s¹: siarkowodór, siarka i wodór oraz czasami zwi¹z- Wzór przyk³adowego karotenoidu zosta³ uprzednio ki organiczne (kwasy), natomiast Rhodospirillaceae omówiony na przyk³adzie stafyloksantyny S. aureus. (Rhodospirillum, Rhodopseudomonas, Rhodobacter, Bakterie fotosyntezuj¹ce mo¿na podzieliæ na cztery Rhodocyclus i Rhodopila) jako donory elektronów grupy: (1) Cyanobacteria (sinice), (2) bakterie zielone do procesu fotosyntezy wykorzystuj¹ ró¿ne zwi¹zki (Chlorobiaceae, Chloroflexaceae), (3) bakterie purpu- organiczne, a niektóre mog¹ te¿ wykorzystywaæ siar- rowe siarkowe (Chromatiaceae) oraz (4) purpurowe kowodór, siarkê i wodór [19, 23, 57]. bakterie bezsiarkowe (Rhodospirillaceae). Cyanobak- Barwniki pe³ni¹ szczególn¹ rolê u pewnych przed- terie to grupa bakterii silnie zró¿nicowana morfologicz- stawicieli Archea, które s¹ zdolne do wykorzystywania nie, wiêkszoæ z nich zawiera chlorofil a z maksimum energii s³onecznej, chocia¿ nie potrafi¹ przeprowadzaæ absorpcji P700 i P680, natomiast zamiast chlorofilu b fotosyntezy. Na przyk³ad tlenowy Halobacterium sali- wystêpuj¹ u nich fikobiliny, do których zalicza siê narum na wietle, w warunkach beztlenowych lub przy fikocjaninê (PC), oraz rzadziej spotykan¹ fikoerytrynê ma³ej zawartoci tlenu, wytwarza b³onê purpurow¹, (PE). Te barwniki odnajdywane s¹ w strukturach fiko- która jest czêci¹ b³ony cytoplazmatycznej. G³ównym bilisomów, absorbuj¹ wiat³o barwy ¿ó³tej oraz zielo- barwnikiem purpurowym jest tu bakteriorodopsyna, no-¿ó³tej [17, 48]. Wszystkie cyjanobakterie wi¹¿¹ zawieraj¹ca wiat³oczu³y zwi¹zek karotenowy, retinal. CO2 w cyklu Calvina, nie maj¹ pe³nego cyklu Krebsa, Po absorpcji energii wietlnej cz¹steczka bakterio- czêæ z nich wi¹¿e N2. Natomiast sinice zaliczane do rodopsyny przechodzi bardzo szybko w stan wzbudze- rzêdu Prochlorales, (np.: Prochlorothrix, Prochloro- nia i po poch³oniêciu fotonu przenosi przez b³onê jony flexus, Prochlorococcus i Prochloron, który jest bez- wodorowe. W rezultacie tworzony jest w b³onie silny wzglêdnym symbiontem ¿achw) zawieraj¹ chlorofil a gradient elektrochemiczny, który bakterie wykorzystu- i b. Fotosyntetyzuj¹ce bakterie zielone (Chlorobiaceae j¹ do syntezy ATP. B³ona ulega ponownej regeneracji i Chloroflexaceae), przeprowadzaj¹ ten proces przy przy udziale protonów znajduj¹cych siê w cytoplazmie, udziale bakteriochlorofili, zachodzi u nich fosforyla- opisany proces jest wiêc pewn¹ form¹ fosforylacji. cja cykliczna [17]. ród³em elektronów dla bakterio- Halobacterium jest zatem zdolny do korzystania z ener- chlorofilu jest wodór lub zwi¹zki siarki. Chlorobiaceae gii wietlnej w celu uzyskania energii w postaci ATP, posiadaj¹ niewielkie iloci bakteriochlorofilu a z ma- nie jest jednak autotrofem. Halobakterie, ¿yj¹c w ro- ksimum absorpcji P840, natomiast nitkowate Chloro- dowisku silnie nawietlonym, zawieraj¹ du¿e iloci flexaceae bakteriochlorofilu a z maksimum absorpcji karotenoidów nadaj¹cych im barwê ró¿ow¹ i chro- P865. Poza tym wystêpuj¹ u nich bakteriochlorofile c, ni¹cych wnêtrze komórki przed uszkodzeniem foto- d oraz e, które poch³aniaj¹ wiat³o 800, 850 i 870 nm chemicznym [15, 20, 54]. [17, 19, 23, 48]. Z kolei Heliobacteriacae, br¹zowo- zielone anoksygenowe fototrofy, (dotychczas opisano 3.2. Pozyskiwanie ¿elaza czterech przedstawicieli tej grupy bakterii: Heliobac- terium, Heliophilum, Heliorestis i Heliobacillus), nie Legionella pneumophila (klasa Gammaproteobac- posiadaj¹ typowych barwników asymilacyjnych, maj¹ teria, rodzina Legionellaceae) jest Gram-ujemn¹ bak- natomiast zlokalizowany w b³onie komórkowej bak- teri¹ zasiedlaj¹c¹ rodowiska wodne i zdoln¹ do wy- teriochlorofil g o maksimum absorpcji P798, którego wo³ywania ostrej formy zapalenia p³uc u cz³owieka. budowa jest bardzo zbli¿ona do chlorofilu a. Wiêk- L. pneumophila pozyskuje ¿elazo, g³ównie dziêki wy- szoæ tych bakterii korzysta z nietypowych dawców twarzaniu syderoforów (legiobaktyn). Niedawno opi- elektronów, którymi s¹ zwi¹zki organiczne (alkohole, sano komplementarny system pozyskiwania tego pier- octan, pirogronian) [17, 20, 48]. wiastka przy udziale pigmentu piomelaniny zwi¹zanej Bakterie purpurowe zawieraj¹ bakteriochlorofile a z aktywnoci¹ reduktazy ¿elazowej [6]. Mo¿na przy- i b, jednak ich barwa jest przes³oniêta przez czerwone puszczaæ, ¿e melaniny produkowane przez inne bak- i br¹zowe karotenoidy. Wyró¿nia siê tu dwie rodziny: terie nale¿¹ce do rodzajów: Burkholderia, Klebsiella, bakterie purpurowe siarkowe Chromatiaceae, które Proteus, Pseudomonas, Serratia, Stenotrophomonas s¹ wy³¹cznie beztlenowe, zawieraj¹ globule siarki sil- i Vibrio równie¿ uczestnicz¹ w pozyskiwaniu ¿elaza. nie za³amuj¹ce wiat³o i bakteriochlorofile a i b z ma- U Gram-ujemnej bakterii Shewanella algae (tak¿e RÓ¯NORODNE FUNKCJE WYBRANYCH PIGMENTÓW BAKTERYJNYCH 111 u grzyba C. neoformans) opisano mechanizm redukcji zwiêkszeniem jego toksycznoci wobec owadów [45]. tlenku ¿elaza przy udziale melaniny jako przekanika W tym przypadku zwiêkszon¹ odpornoæ na UV nale- elektronów. Równie¿ P. aeruginosa jest zdolny do poza- ¿y wi¹zaæ z obecnoci¹ melaniny w os³onach endo- komórkowej redukcji ¿elaza przy udziale piocyjaniny [6]. spor, a zwiêkszon¹ toksycznoæ ze zwiêkszon¹ sta- bilnoci¹ insektycydu wynikaj¹c¹ z adsorpcji lub 3.3. Ochrona przed szkodliwym dzia³aniem wbudowania melaniny do kryszta³ów toksycznego czynników rodowiskowych bia³ka powstaj¹cego podczas sporulacji. Te dane maj¹ i zwi¹zków antybakteryjnych du¿e znaczenie aplikacyjne ze wzglêdu na to, ¿e sku- tecznoæ B. thuringiensis jako bio-insectycydu zale¿y Postuluje siê, ¿e zdolnoæ mikroorganizmów do wy- g³ównie od prze¿ycia bakterii i stabilnoci jej toksyny twarzania pigmentów pierwotnie wyewoluowa³a jako w warunkach polowych, gdzie g³ównym czynnikiem mechanizm nadaj¹cy komórkom opornoæ na dzia³a- destabilizuj¹cym jest nas³onecznienie [45]. nie reaktywnych form tlenu, co prowadzi nie tylko do Melaniny s¹ tak¿e zdolne do wi¹zania metali ciê¿- zwiêkszenia prze¿ywalnoci bakterii w zainfekowanym kich. Grupy karboksylowe, fenolowe, hydroksylowe gospodarzu, lecz równie¿ w rodowisku zewnêtrznym. i aminowe wystêpuj¹ce licznie w melaninach stanowi¹ Z biegiem czasu pigmenty zosta³y zaadaptowane do potencjalne miejsca wi¹zania lub adsorpcji dla jonów pe³nienia funkcji chroni¹cych mikroorganizmy przed metali. Te w³aciwoci melaniny sugeruj¹ mniejsz¹ uszkodzeniami wywo³ywanymi przez inne czynniki skutecznoæ zawieraj¹cych metale rodków przeciw fizykochemiczne [34]. Istniej¹ liczne doniesienia wyka- grzybiczych i antybakteryjnych w eliminacji mikro- zuj¹ce, ¿e melaniny s¹ odpowiedzialne za ochronê organizmów wytwarzaj¹cych ten pigment [39]. W ba- komórek mikroorganizmów przed uszkodzeniami wy- daniach in vitro wykazano: wi¹zanie siê melaniny do wo³anymi takimi czynnikami rodowiska jak promie- ró¿nych pod wzglêdem budowy chemicznej zwi¹z- niowanie UV i jonizuj¹ce, ekstremalne temperatury, ków, jej interakcje z wieloma lekami, zdolnoæ do czynniki utleniaj¹ce, metale ciê¿kie, zwi¹zki antybio- adsorpcji porównywaln¹ do wêgla aktywowanego. tyczne [8, 26, 39, 43]. Melaniny nie tylko mog¹ chroniæ Mechanizm nabywania opornoci na leki przez grzyby DNA i inne zwi¹zki przed uszkodzeniami po dzia³a- produkuj¹ce melaninê polega na wydajnym wi¹zaniu niu promieniowania UV, ale równie¿ ochraniaj¹ enzy- ich przez warstwê pigmentu w cianie i zapobieganiu my przed proteazami, a komórki przed enzymami hy- w osi¹gniêciu celu wewn¹trz komórki. Natomiast drolitycznymi. Zapobiegaj¹ tak¿e degradacji biofilmu ochronny wp³yw melaniny bakteryjnej mo¿e byæ ogra- i mog¹ pe³niæ rolê w przep³ywie protonów i substancji niczony jej nieznan¹ lokalizacj¹ w komórce [39]. od¿ywczych w biofilmie [58, 60]. U bakterii izolowanych z powietrza i u niektórych Literatura opisuj¹ca ochronn¹ rolê melaniny u mi- wolno ¿yj¹cych, oportunistycznych mykobakterii, krooganizmów ¿yj¹cych w takich rodowiskach jak w tym Mycobacterium kansasii i M. marinum [50] gleba i woda w wiêkszoci dotyczy grzybów, nieliczne oraz u Deinococcus radiodurans (klasa Deinococci, prace odnosz¹ siê do bakterii. Barwnik ten syntetyzo- rodzina Deinococcaceae) rolê ochronn¹ przed stresem wany przez Vibrio cholerae chroni bytuj¹ce w wodzie oksydacyjnym pe³ni¹ karotenoidy. Tu nale¿y wspom- komórki przed stresem osmotycznym i podwy¿szon¹ nieæ, ¿e du¿a opornoæ D. radiodurans na stres oksy- temperatur¹. Warunki te spotykane s¹ w miesi¹cach dacyjny jest jedn¹ z licznych opornoci tej bakterii na letnich, gdy wraz ze wzrostem temperatury wzrasta szkodliwe warunki rodowiska w tym: promieniowanie zasolenie wody. Zdolnoæ melaniny do ochrony bak- jonizuj¹ce, podwy¿szon¹ temperaturê, zakwaszenie, terii przed stresem osmotycznym opiera siê na jej zdol- obecnoæ trucizn i brak zwi¹zków od¿ywczych [55]. noci do absorpcji kationów Na+ i K+, zapobiegaj¹c odwodnieniu komórki [8]. Melanina niweluje równie¿ skutki stresu oksydatywnego, co jest szczególnie istot- 4. Mo¿liwoæ zastosowania bakteryjnych ne w porze letniej, kiedy w wyniku wzrostu intensyw- pigmentów w medycynie i przemyle noci promieniowania UV wzrasta stê¿enie wolnych rodników w wodach powierzchniowych, osi¹gaj¹c po- Najwiêksze nadzieje na zastosowanie bakteryjnych ziom 112×1018 M. Barwny mutant V. cholerae, pigmentów w medycynie wi¹¿e siê z prodigiozyn¹, oprócz zwiêkszonej infekcyjnoci, charakteryzuje siê czerwonym barwnikiem syntetyzowanym przez S. mar- podwy¿szon¹ odpornoci¹ na promieniowanie UV cescens (grupa Gammaproteobacteria, rodzina Entero- (100, 200, 300 µJ/m2), czego przyczyn¹ jest prefe- bacteriaceae). Pigment ten nale¿y do grupy amin i sk³a- rencyjne absorbowanie energii tego promieniowania da siê z piercieni pirolowych (Rys. 1J). Liczne badania przez melaninê [58]. Wykazano równie¿, ¿e mela- prowadzone w wielu laboratoriach wykaza³y, ¿e barw- nina Bacillus thuringiensis chroni tê bakteriê przed nik ten ma bardzo silne dzia³anie cytotoksyczne na szkodliwym dzia³aniem promieni UV z jednoczesnym komórki kilku linii tkankowych. Wykazano równie¿, 112 KRYSTYNA I. WOLSKA, ANNA M. GRUDNIAK, ANNA KRACZKIEWICZ-DOWJAT, ANNA KUREK
¿e pigment ten nale¿y do inhibitorów cyklu komórko- 5. Podsumowanie wego, degraduje DNA, zmienia wewn¹trzkomórkowe pH, jak równie¿ indukuje appoptozê [47]. Stwierdzono Liczne gatunki bakterii, w tym patogeny, zdolne s¹ równie¿ jego aktywnoci immunosupresyjn¹ wobec do produkcji barwników. Pigmenty bakteryjne pe³ni¹ limfocytów T, co ma zwi¹zek z blokowaniem prolifera- ró¿norodn¹ funkcjê, zawsze korzystn¹ dla ich produ- cji limfocytów zale¿nej od interleukiny 2 [18]. Z kolei centów. Znana jest rola barwników jako czynników eksperymenty prowadzone na zwierzêtach udowodni³y, wirulencji patogennych bakterii. W przypadku pio- ¿e prodigiozyna blokuje rozwój nowotworów, odrzut cyjaniny P. aeruginosa i stafyloksantyny S. aureus, przeszczepów, np. serca i skóry, oraz hamuje pocz¹tko- mechanizm wirulencji zwi¹zanej z produkcj¹ barwni- we etapy cukrzycy i artretyzmu [18]. Drugim pigmen- ków jest dobrze poznany na poziomie molekularnym. tem dzia³aj¹cym anty-nowotworowo jest wiolaceina, Badania innych pigmentów nie s¹ tak zaawansowane. która niszczy komórki nowotworowe jelita grubego Podstawow¹ rolê barwników w zwiêkszeniu patogen- i têczówki oraz hamuje proliferacjê limfocytów i dzia- noci ich producentów pe³ni zdolnoæ pigmentów do ³anie cytokin, powoduje apoptozê komórek linii HL60, ochrony komórek przed dzia³aniem uk³adu odporno- za co odpowiedzialna jest aktywacja receptora 1 dla ciowego gospodarza, co jest zwi¹zane ze zmniejsze- czynnika martwicy nowotworów, TNF (tumor necro- niem stê¿enia reaktywnych form tlenu w komórkach sis factor) odpowiedzialnego za transdukcjê sygna³u. ¿ernych. Z kolei bakteryjne chlorofile i bakteriochlo- [13, 27]. Barwnik ten ma tak¿e dzia³anie antybiotycz- rofile pe³ni¹ kluczow¹ rolê w procesie fotosyntezy. ne i jest szczególnie efektywny w eliminacji pierwot- Barwniki maj¹ tak¿e znaczenie w pozyskiwaniu ¿ela- niaka Leishmania amazoniensis, czynnika etiologiczne- za, np. piomelanina u L. monocytogenes lub w ochro- go ró¿nego rodzaju leiszmanioz: trzewnych, skórnych nie przed szkodliwym dzia³aniem promieniowania, i skórno-luzówkowych [30]. Istniej¹ równie¿ donie- np. melanina u V. cholerae. Ostatnio prowadzone s¹ sienia o antybiotycznym dzia³aniu piocyjaniny. Barw- intensywne badania maj¹ce na celu opracowanie terapii nik ten wykazuje dzia³anie bakteriobójcze, szczególnie antybakteryjnych opartych na zahamowaniu produkcji silnie eliminuje tlenowe bakterie Gram-dodatnie. Bak- i/lub aktywnoci pigmentów. Z drugiej strony bada siê terie Gram-ujemne, a zw³aszcza beztlenowce s¹ elimi- mo¿liwoæ wykorzystania pigmentów w przemyle, nowane znacznie s³abiej [4]. Z kolei doæ wiele pozy- g³ównie spo¿ywczym i kosmetycznym, oraz w medycy- cji literaturowych dotyczy mo¿liwoci zastosowania nie, np. w terapiach antynowotworowych, co dotyczy melaniny w kosmetologii, a zw³aszcza w medycynie. wiolaceiny C. violaceum i prodigiozyny S. marcescens. Syntetyczna melanina hamuje dzia³anie prozapalnych cytokin, TNF, interleukiny (IL)-1$, IL-6 i IL-10 [38]. ¯adna z tych prac nie opisuje jednak dzia³ania barw- Pimiennictwo ników syntetyzowanych przez bakterie. Na zakoñczenie wykazu zastosowañ pigmentów 1. Allaker R.P., Douglas C.W.: Novel anti-microbial therapies w medycynie i przemyle nale¿y wspomnieæ o rosn¹- for dental plaque-related diseases. Int. J. Antimicrob. Agents, cym zainteresowaniu astaksantyn¹, pomarañczowym 33, 813 (2009) barwnikiem syntetyzowanym przez roliny i mikro- 2. Allen L.: Pyocyanin production by Pseudomonas aeruginosa induces neutrophil apoptosis and impairs neutrophil-mediated organizmy, w tym przez gatunki z rodzaju Paracoccus, host defenses in vivo. J. Immunol. 174, 36433649 (2005) w³¹czaj¹c szczep P. marcusii OS22 (klasa Alphaproteo- 3. Balibar C.J., Walsh C.T.: In vitro biosynthesis of violacein bacteria, rodzina Rhodobacteriaceae), który zosta³ wy- from L-tryptophan by the enzymes VioA-E from Chromo- izolowany z nieczynnej kopalni z³ota w Z³otym Stoku bacterium violaceum. Bichemistry, 45, 1544415457 (2006) [10]. Za syntezê astaksantyny odpowiedzialne s¹ geny 4. Baron S., Rowe J.J.: Antibiotic action of pyocyanin. Anti- crt odnajdywane w wielu gatunkach Paracoccus, choæ microbial Agents Chemother. 20, 814830 (1981) sugerowana jest mo¿liwoæ zaanga¿owania równie¿ 5. Bojarski J.: Chemia organiczna. 4 wydanie, Wyd. Uniw. Jagiellon., Kraków, 1999 innych genów w produkcjê tego barwnika [36]. Asta- 6. Chatfield C.H., Cianciotto N.P.: The secreted pyomelanin ksantyna jest stosowna jako sk³adnik leków i prepara- pigment of Legionella pneumophila confers ferric reductase tów wzmacniaj¹cych. Dziêki zdolnoci do nadawania activity. Infect Immun. 75, 40624070 (2007) intensywnego, pomarañczowego zabarwienia produk- 7. Clauditz A., Resh A., Wieland K.-P., Peschel A., Götz F.: tom pochodzenia zwierzêcego wykorzystywana jest Staphyloxantin plays a role in the fitness of Staphylococcus w przemyle spo¿ywczym jako barwnik ¿ywnoci, aureus and its ability to cope with oxidative stress. Infect. z kolei dziêki aktywnoci przeciw utleniaj¹cej jako Immun. 74, 49504953 (2006) 8. Coyne V.E., Al-Harthi L.: Induction of melanin biosynthesis jej konserwant [21, 22]. Obecnie prowadzone s¹ inten- in Vibrio cholerae. Appl. Environ. Microbiol. 58, 28612865 sywne badania maj¹ce na celu skonstruowanie gene- (1992) tycznie modyfikowanych mikroorganizmów zdolnych 9. Das A., Yoon S.H., Lee S.H., Kim J.Y., Oh D.K., Kim S.W.: do wydajnej i kontrolowanej produkcji tego pigmentu. An update on microbial carotenoid production: application RÓ¯NORODNE FUNKCJE WYBRANYCH PIGMENTÓW BAKTERYJNYCH 113
of recent metabolic engineering tools. Appl. Microbiol. Bio- 27. Kodach L.L., Bos C.L., Durán N., Peppelenbosch M.P., tech. 77, 505512 (2007) Ferreira C.V., Hardwick J.C.: Violacein synergistically 10. Drewniak L., Styczek A., Majder-Lopatka M., Sklodow- increases 5-fluorouracil cytotoxity, induces apoptosis and ska A.: Bacteria, hypertolerant to arsenic in the rocks of an inhibits Akt-mediated signal transduction in human colorectal ancient gold mine, and their potential role in dissemination cancer cells. Carcinogenesis, 27, 508516 (2006) of arsenic pollution. Environ. Pollut. 156, 10691074 (2008) 28. Konzen M., De Marco D., Cordova C.A., Vieira T.O., 11. Duran N., Menck C.F.: Chromobacterium violacem: a review Antônio R.V., Creczynski-Pasa T.B.: Antioxidant properties of pharmacological and industrial properties. Crit. Rev. of violacein: possible relation on its biological function. Microbiol. 27, 201222 (2001) Bioorg. Med. Chem. 14, 83078313 (2006) 12. El-Agamey A., Lowe G.M., McGarvey D.J., Mortensen A., 29. Lau G.W., Ran H., Kong F., Hasset D.J., Mavrodi D.: Pseudo- Phillip P.M., Triscott T.G., Young A.J.: Carotenoid radical monas aeruginosa pyocyanin is critical for lung infection in chemistry and antioxidant/pro-oxidant properties. Arch. Bio- mice. Infect. Immun. 72, 42754278 (2004) chem. Biophys. 430, 3748 (2004) 30. Leon L.L., Miranda C.C., De Souza A.O., Durán N.: Anti- 13. Ferreira C.V., Bos C.L., Versteeg H.H., Justo G.Z., Durán N., leishmanial activity of the violacein extracted from Chromo- Peppelenbosh M.P.: Molecular mechanism of violacein- bacterium violaceum. J. Antimicrob. Chemother. 48, 449450 mediated human leukemia cell death. Blood, 104, 14591464 (2001) (2004) 31. Liu G.Y., Doran K.S., Lawrence T., Turkson N., Pulti M., 14. Gomez Maqueo Ch.A., Bryant D.A.: Chlorophyll biosyn- Tissi L. Nizet V.: Sword and shield: linked group B strepto- thesis in bacteria: The origins of structural and functional coccal beta hemolysin/cytolysin and carotenoid pigment diversity. Annual Rev. Microbiol. 61, 113129 (2007) function to subvert host phagocyte defense. Proc. Natl. Acad. 15. Gonzalez O., Gronan S., Pfeiffer F., Mendoza E., Zimmer R., Sci. USA, 101, 1449114496 (2004) Oesterhett D.: Systems analysis of bioenergetics and growth 32. Liu G.Y., Essex A., Buchanan J.T., Datta V., Hoffman H.M., of the extreme halophile Halobacterium salinarum. PloS Bastian J.F., Fierer J., Nizet V.: Staphylococcus aureus Comput. Biol. 5(4): e1000332 (2009) golden pigment impairs neutrophil killing and promotes 16. Götz F., Bannerman T., Schleifer K.-H.: The genera Staphy- virulence through its antioxidant activity. J. Exp. Med. 202, lococcus and Micrococcus (w) The Prokaryotes, tom 4, 3. 209215 (2005) wydanie., red. M. Dworkin, S. Falkow, E. Rosenberg, 33. Liu C.-I., Liu G.Y., Song Y., Yin F., Hensler M.E., Jeng W.-Y., K.H. Schleifer, E. Stackebrandt, Springer Science + Media Nizet W., Wang A. H., Oldfield E.: A cholesterol biosynthesis LLC, New York, NY, USA, 2006, s. 704 inhibitor blocks Staphylococcus aureus virulence. Science, 17. Greenblatt C.L., Davis A., Clement B.G., Kitts C.L., Cox T., 319, 13911394 (2008) Cano R.J.: Diversity of microorganisms isolated from amber. 34. Liu G. Y., Nizet V.: Color me bad: microbial pigments as Microbiol. Ecol. 38, 5868 (1999) virulence factors. Trends Microbiol. 17, 406413 (2009) 18. Han S.B., Park S.H., Jeon Y.K., Kim Y.K., Kim H.M., 35. £uszczewski A., Matyska-Piekarska E., Trefler J., Wawer I., Yang K.H.: Prodigiosin blocks T cell activation by inhibi- £¹cki J., liwiñska-Stañczyk P.: Reaktywne formy tlenu ting interleukin-2Ralpha expression and delays progression of znaczenie w fizjologii i stanach patologii organizmu. autoimmune diabetes and collage-induced arthritis. J. Phar- Reumatologia, 45, 284289 (2007) macol. Exp. Ther. 299, 415425 (2001) 36. Mizawa N., Satomi Y., Kondo K., Yokoyama A., Kaijwara S., 19. Hauska G., Schoedl T., Remigy H., Tsiotis G.: 2001 The Saito T., Ohtani T., Miki W.: Structure and functional analysis reaction center of green sulfur bacteria. Bioch. Biophysic. of marine bacterial carotenoid boisynthesis gene cluster and Acta, 13, 26077 (2001) astaxanthin biosynthesis pathway proposed at the gene level. 20. Heinnickel M., Golbeck J.H.: Heliobacterial photosynthesis. J. Bacteriol. 177, 65756584 (1995) Photosynthesis Res. 1, 3553 (2007) 37. Mohagheghpour N., Waleh N., Garner S.J., Dousman L., 21. Higuera-Ciapara I., Félix-Valenzuela L., Goyoodea F.M., Grill L.K., Tusé D.: Synthetic melanin suppresses production 2006. Astaxanthin: a review of its chemistry and applica- of proinflamatory cytokines. Cell Immunol. 199, 2536 (2000) tions. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 46, 185196 (2007) 38. Nosanchuk J.D., Casadevall A.: The contribution of melanin 22. Hussein G., Sankawa U., Goto H., Matsumoto K., Wata- to microbial pathogenesis. Cell Microbiol. 5, 203223 (2003) nabe H.: Astaxanthin, a carotenoid with potential human 39. Nosanchuk J.D., Casadevall A.: Impact of melanin on micro- health and nutrition. J. Nat. Prod. 69, 443449 (2006) bial virulence and clinical resistance to antimicrobial com- 23. Ishikita H., Saenger W., Biesiadka J., Loll B., Knapp E.W.: pounds. Antimicrob. Agents Chemother. 50, 35193528 (2006) How photosynthetic reaction centers control oxidation power 40. Nosanchuk J.D., Ovalle R., Casadevall A.: Glyphosate in- in chlorophyll pairs P680, P700, and P870. Proc. Nat. Acad. hibits melatonization of Cryptococcus neoformans and pro- Sci .USA, 26, 985560 (2006) longs survival of mice after systemic infection. J. Infect. Dis. 24. Jankiewicz U.: Charakterystyka I znaczenie piowerdyn bak- 183, 10931099 (2001) terii z rodzaju Pseudomonas. Post. Mikrobiol. 48, 243254 41. OMalley Y.Q., Reszka K.J., Rasmussen G.T., Abdalla M.Y., (2009) Denning G.M., Britgan B.E.: The Pseudomonas secretory 25. Kanthakumar K., Taylor G., Tsang K.W., Cudell D.R., Rut- product pyocyanin inhibits catalase activity in human lung man A., Smith S., Jeffery P.K., Cole P.J., Wilson R.: Mecha- epithelial cells. Am. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol. 285, nism of action of Pseudomonas aeruginosa pyocyanin on hu- L10771086 (2003) man cliary beat in vitro. Infect. Immun. 61, 28482853 (1993) 42. OMalley Y.Q., Reszka K.J., Spitz. D.R., Denning G.M., 26. Keith K.E., Killip L., He P., Moran G.R., Valvano M.A.: Britgam B.E.: Pseudomonas aeruginosa pyocyanin directly Burkholderia cenocepacia C5424 produces a pigment with oxidizes glutathione and decreases its level in airway epi- antioxidant properties using a homogentisate intermediate. thelial cells. Am. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol. 287, J. Bacteriol. 189, 90579065 (2007) L94103 (2004) 114 KRYSTYNA I. WOLSKA, ANNA M. GRUDNIAK, ANNA KRACZKIEWICZ-DOWJAT, ANNA KUREK
43. Paolo Jr.W.F., Dadachova E., Mandal P., Casadevall A., 52. Smalley J.W., Silver J., Marsh P.J., Briss A.J.: The periodon- Szaniszlo P.J., Nosanchuk J.D.: Effect of disrupting the topathogen Porphyromonas gingivalis binds iron prptopor- polyketide gene WdPKSI in Wangiella [Exophiala] dermati- phyrin IX in the mu-oxo dimeric form: an oxidative buffer tidis on melanin production and resistance to killing by anti- and possible pathogenic mechanism. Biochem. J. 331 (Pt 3), fungal compounds, enzymatic degradation, and extremes 681685 (1998) temperature. BMC Microbiology. http://www. biomedcentral. 53. Spellerberg B., Martini B., Brand C., Lütticken R.: The cyl com/1471-2180-6-55 (2006) genus of Streptococcus agalactiae are involved in the pro- 44. Parsek M.R., Singh P.K.: Bacterial biofilms. An emerging duction of pigment. FEMS Microbiol. Lett. 188, 125128 link to disease pathogenesis. Annu. Rev. Microbiol. 57, (2000) 677701 (2003) 54. Stoeckenius W.: The rhodopsin-like pigments of halobac- 45. Patel K., Wyman J., Patel K., Burden B.: A mutant of Bacil- teria: light-energy and signal transduction in an archaebac- lus thuringiensis producing a dark-brown pigment with terium. Trends Biochem. Sci. 10: 483486 (1985) increased UV resistance and insecticidal activity. J. Invertebr. 55. Tian B., Sun Z., Shen S., Wang H., Jiao J., Wang L., Hu Y., Pathol. 67, 120124 (1996) Hua Y.: Effects of carotenoids from Deinococcus radio- 46. Pelz A., Wieland K.P., Putzbach K., Hentschel P., Albert K., durans on protein oxidation. Lett. Appl. Microbiol. 49, Götz F.: Structure and biosynthesis of staphyloxantin from 689694 (2009) Staphylococcus aureus. J. Biol. Chem. 280, 3249332498 56. Tracewell C.A., Vrettos J.S., Bautista J.A., Frank H.A. and (2005) Brudving G.W.: Carotenoid photooxidation in photosystem 47. Perez-Tomas R., Montaner B., Llagostera E., Soto-Cerrato V.: II. Archives Biochem. Biophys. 1, 6169 (2001) The prodigiosins, proapoptotic drugs with anticancer proper- 57. Ueda T., Ideguchi T., Kaino N., Kakuno T., Yamashita J., ties. Biochem. Pharmacol. 66, 14471452 (2003) Horio T.: Molecular organization of photochemical reaction 48. Pierson B.K., Thornber J.P.: Isolation and spectral characteri- complex in chromatophore membrane from Rhodospirillum zation of photochemical reaction centers from the thermo-phi- rubrum as detected by immunochemical and proteolytic ana- lic green bacterium Chloroflexus aurantiacus strain J-10-f1. lyses. J. Biochem. 4, 75565 (1987) Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 80, 8084 (1983) 58. Valeru S.P. Rompikuntal P.K., Ishokawa T., Vaitkevicius K., 49. Rosa-Fraile M., Rodrigez-Granger J., Haidour-Benamin A., Sjoling A., Dolganov N., Zhu J., Schoolnik G., Wai S.N.: Cuevra J.M., Sampedro A.: Granadaene: proposed structure Role of melanin pigment in expression of Vibrio cholerae of the group B Streptococcus polyenic pigment. Appl. Envi- virulence factors. Infect. Immun., 77, 935942 (2009) ron. Microbiol. 72, 63676370 (2006) 59. Wakamatsu K., Ito S.: Advanced chemical methods in me- 50. Silcox V.A., David H.L.: Differential identification of Myco- lanin pigment determination. Pigment Cell Res. 15, 174183 bacterium kansasii and Mycobacterium marinum. Appl. (2002) Microbiol. 21, 327334 (1971) 60. Weiner R.M.: Biopolymers from marine prokaryotes. Trends 51. Smalley J.W., Silver J., Briss A.J., Withnall R.: The haem Biotechnol. 15, 390394 (1997) pigment of the oral anaerobes Prevotella nigrescensis and 61. Yahir T.L., Parsek M.R.: Pseudomonas aeruginosa (w) The Prevotella intermedia is composed of iron(III) proto- Prokaryotes, tom 6, 3. wydanie, red. M. Dworkin, S. Falkow, pororphyrin IX in the monomeric form. Microbiology, 149, E. Rosenberg, K.H., E. Stackebrandt, Springer Science + 17111718 (2003) Media LLC, New York, NY, USA, 2006, s. 704