mini|Staphyloxanthin gibt dem Bakterium Staphylococcus aureus das goldgelbe Aussehen.
Staphyloxanthin ist ein orange- oder goldgelber Farbstoff in der Zellmembran des Bakteriums Staphylococcus aureus. Das Pigment gehört zu den Xanthophyllen (sauerstoffhaltige Carotinoide).
Das Carotinoidpigment wirkt als biologisches Antioxidans, indem es die von den Immunzellen des Wirts gebildeten reaktiven Sauerstoffverbindungen inaktiviert und dadurch die Mikroorganismen vor dem Abtöten durch die weißen Blutzellen schützt.Pu‐Ting Dong, Haroon Mohammad, Jie Hui, Leon G. Leanse, Junjie Li, Lijia Liang, Tianhong Dai, Mohamed N. Seleem, Ji‐Xin Cheng: Photolysis of Staphyloxanthin in Methicillin‐Resistant Staphylococcus aureus Potentiates Killing by Reactive Oxygen Species. In: Advanced Science 6 (11), 30. März 2019, , PMID 31179216, .
Gerade bei den antibiotikaresistenten Superkeimen, den MRSA-Vertretern, deren Verbreitung in der Bevölkerung und in den Krankenhäusern seit 1990 rasant zugenommen hat, bildet Staphyloxanthin einen bedeutenden Virulenzfaktor. Zugleich schützt der Farbstoff die MRSA-Keime vor der Zerstörung durch Wasserstoffperoxid und Sauerstoffradikale.Chia-I Liu, George Y. Liu, Yongcheng Song, Fenglin Yin, Mary E. Hensler, Wen-Yin Jeng, Victor Nizet, Andrew H.-J. Wang, Eric Oldfield: A Cholesterol Biosynthesis Inhibitor Blocks Staphylococcus aureus Virulence. In: Science 319 (5868), März 2008, S. 1391–1394, , .
Vorkommen Staphyloxanthin wird in der Zellmembran des Bakteriums Staphylococcus aureus eingebaut und ist für dessen Färbung verantwortlich. Das Pigment ist gelb oder orange, in Abhängigkeit vom Sauerstoffangebot und den Nährstoffbedingungen. Die Farbe ist namensgebend für die Spezies (aureus, lateinisch für ‚golden‘). Neben dem Hauptpigment lassen sich verschiedenfarbige Zwischenprodukte des Biosynthesewegs isolieren.Mary Barber: Pigment Production by Staphylococci. In: Microbiology 13, 2, 1. Oktober 1955, S. 338–345, .Kiran B. Tiwari, Craig Gatto, Brian J. Wilkinson: Interrelationships among Fatty Acid Composition, Staphyloxanthin Content, Fluidity, and Carbon Flow in the Staphylococcus aureus Membrane. In: Molecules 2018, 23(5), 1201, .
Aufbau und Funktion Strukturaufklärung Der Pigmentname, Staphyloxanthin, wurde erstmalsmitgeteilt in Alexandra Pelz, Karsten-Peter Wieland, Karsten Putzbach, Petra Hentschel, Klaus Albert, Friedrich Götz: Structure and Biosynthesis of Staphyloxanthin from Staphylococcus aureus. In: Journal of Biological Chemistry, 280, 37, 16. September 2005, S. 32493–32498, , PMID 16020541. 1972 von John H. Marshall und E. S. Rodwell erwähnt.John H. Marshall, E. S. Rodwell in: 3rd International Symposium on Carotenoids Other Than Vitamin A, 4.–7. September 1972, S. 56–57, International Union of Pure and Applied Chemisry, Cluj, Romania. 1981 isolierten und analysierten Marshall und Willmoth die chemischen Strukturen des Farbstoffs und weiterer Biosyntheseprodukte.John H. Marshall, Gregory J. Wilmoth: Pigments of Staphylococcus aureus, a Series of Triterpenoid Carotenoids. In: Journal of Bacteriology 147, 3, September 1981, S. 900–913, PMID 7275936, . Das Hauptpigment wurde zunächst als ein α-D-Glucopyranosyl-1-O-(4,4ʹ-diaponeurosporen-4-oat)-6-O-(12-methyltetradecanoat) identifiziert, in dem Glucose mit einer Triterpenoid-Carotinoid-Carbonsäure und einer Fettsäure (C15) verestert ist.
2005 konnte mittels NMR-Spektroskopie die Struktur als eine β-D-Glucopyranosyl-1-O-(4,4ʹ-diaponeurosporen-4-oat)-6-O-(12-methyltetradecanoat)-Verbindung ermittelt werden. Von den in photosynthetisch und nicht photosynthetisch aktiven Bakterien und in Eukaryoten vorkommenden Carotinoiden mit 40 C-Atomen (C40), unterscheidet sich Staphyloxanthin durch die Veresterung von Glucose mit einer Triterpenoidsäure (C30) und einer Fettsäure (C15) sowie den Hydroxygruppen der Glucose. Der Bakterienfarbstoff ist ein Vertreter der Triterpene, die zu den sekundären Inhaltsstoffen von Organismen gehören. Sie leiten sich formal vom Isopren ab. Staphyloxanthin ist ein fettlöslicher Farbstoff mit langkettigen Kohlenwasserstoffen, der zu den Carotinoiden gehört. Carotinoide kommen allgemein in vielen photosynthetischen und nicht photosynthetischen Organismen vor und haben in Bakterien und Hefen antioxidative Funktionen. Sie spielen eine Rolle bei der Lichtgewinnung, dem Energietransfer und der Regulierung der Membranfluidität.Nancy E. Holt, Donatas Zigmantas, Leonas Valkunas, Xiao-Ping Li, Krishna K. Niyogi, Graham R. Fleming: Carotenoid Cation Formation and the Regulation of Photosynthetic Light Harvesting. In: Science 307, 5708, 21. Januar 2005, S. 433–436, , PMID 15662017.Ethan T. Johnson, Claudia Schmidt-Dannert: Light-energy conversion in engineered microorganisms. In: Trends in Biotechnology 26 (12), Dezember 2008, S. 682–689, . PMID 18951642.
Physiologische Bedeutung Durch zahlreiche konjugierte Doppelbindungen vermag Staphyloxanthin freie Energie von reaktiven Sauerstoffverbindungen zu absorbieren und unschädlich zu machen.Henry Rosen, Seymor J. Klebanoff: Bactericidal activity of a superoxide anion-generating system. A model for the polymorphonuclear leukocyte. In: Journal of Experimental Medicine 149(1), Januar 1979, S. 27–39, , PMID 216766, .Thomas A. Dahl, W. Robert Midden, Philipe Hartman: Comparison of Killing of Gram-Negative and Gram-Positive Bacteria by Pure Singlet Oxygen. In: Journal of Bacteriology 171(4), April 1989, S. 2188–2194, , PMID 2703469, .Norman I. Krinsky: Actions of Carotenoids in Biological Systems. In: Annual Review of Nutrition 13, Juli 1993, S. 561–587, , PMID 8369159. Als Radikalfänger kann das Carotinoid Singulettsauerstoff löschen und die Mikroben vor aggressiven Wasserstoffperoxid und Hydroxyl-Radikalen schützen. Diese Verbindungen sind vor allem bei der Immunreaktion im menschlichen Körper von Bedeutung. Hier werden in Phagosomen der Neutrophilen durch die NADPH-Oxidase reaktive Sauerstoffspezies zur Entfernung von Erregern gebildet. Staphylococcus-aureus-Bakterien können diesen mit Hilfe der antioxidativen Wirkung von Staphyloxanthin überleben.Chia-I Liu, George Y. Liu, Yongcheng Song, Fenglin Yin, Mary E. Hensler, Wen-Yih Jeng, Victor Nizet, Andrew H.-J. Wang, Eric Oldfield: A Cholesterol Biosynthesis Inhibitor Blocks Staphylococcus aureus Virulence. In: Science 319 (5868), März 2008, S. 1391–1394, , PMID 18276850, .Alexandra Clauditz, Alexandra Resch, Karsten-Peter Wieland, Andreas Peschel, Friedrich Götz: Staphyloxanthin Plays a Role in the Fitness of Staphylococcus aureus and Its Ability To Cope with Oxidative Stress. In: Infection and Immunity 74 (8), August 2006, S. 4950–4953, , PMID 16861688, .
Als Membrancarotinoid beeinflusst der Farbstoff die Fluidität der Zellmembran und damit die Membranfestigkeit. Dies hat Auswirkungen auf die chemischen Eigenschaften und die funktionelle Aktivität der bakteriellen Zellmembran. Mit Staphyloxanthin pigmentierte Staphylokokken-Bakterien haben daher eine höhere Resistenz, da sie eine bessere Überlebenschance gegen antimikrobielle, von Zellen des Wirts gebildete Peptide und Proteasen haben. Damit weisen farbige Staphylokokken gegenüber weißen Vertretern eine höhere Vitalität auf. Zusätzlich schützt der Farbstoff die Mikroben vor der photooxidativen Zerstörung.I. A. Popov, A. S. Kaprel'iants, D. N. Ostrovskiĭ, V. V. Ignatov: [Study of the membranes of pigment-free mutant of Staphylococcus aureus] (Artikel in russischer Sprache). In: Biokhimiia 41 (6), Juli 1976, S. 1116–1120, PMID 1027489.
Staphyloxanthin ähnelt somit in seiner physiologischen Bedeutung den Glycolipiden, obgleich es nicht zu diesen gezählt werden kann, weil die Säuren nicht glykosidisch an den Zucker gebunden sind.
Chemisch-physikalische Eigenschaften Staphyloxanthin löst sich auf Grund seiner Moleküleigenschaften schlecht in polaren Lösungsmitteln, hingegen gut in Chloroform und Chloroform-Methanol-Gemischen. Gereinigtes Staphyloxanthin löst sich sehr gut in Petrolether.
Isoliertes Staphyloxanthin weist ein Absorptionsmaximum im sichtbaren Licht bei einer Wellenlänge von λ=460 nm im Lösungsmittel Methanol oder Aceton auf und ein Absorptionsmaximum von λ=462 nm mit einem kleinen Seitenpeak bei λ=491 nm in Petrolether auf.John H. Marshall, Gregory J. Wilmoth: Pigments of Staphylococcus aureus, a Series of Triterpenoid Carotenoids. In: Journal of Bacteriology 147, 3, September 1981, S. 900–913, PMID 7275936, . HPLC-UV-Analysen von aufgereinigtem Staphyloxanthin zeigten unter Verwendung eines linearen Aceton/Wassergradienten ein Absorptionsspektrum mit Peaks bei 463 nm und einem Seitenpeak bei 490 nm.
Biosynthese Die fünf Strukturgene zur Synthese von Staphyloxanthin liegen in dem Operon crtOPQMN (CrtO, CrtP, CrtQ, CrtM und CrtN). Das AldH-Gen in Staphylococcus aureus, das sich 670 Kilobasenpaare jenseits des Operons befindet, kodiert für eine 4,4′-Diaponeurosporen-Aldehyd-Dehydrogenase (AldH). Dieses Enzym ist vermutlich für die vollständige Synthese des Farbstoffs von Bedeutung. Fehlt dieses Gen, akkumuliert 4,4′-Diaponeurosporen-4-al und wird nicht in Staphyloxanthin überführt.Se Hyeuk Kim, Pyung Cheon Lee: Functional Expression and Extension of Staphylococcal Staphyloxanthin Biosynthetic Pathway in Escherichia coli. In: Journal of Biological Chemistry 287, 26, 22. Juni 2012, S. 21575–21583, , PMID 22535955, .
Syntheseweg Die Synthese der Triterpene beginnt mit der Kondensation von zwei Molekülen Farnesylpyrophosphat (FPP) C15H25O7P23− zu 4,4′-Diapophytoen (Dehydrosqualen) C30H48, katalysiert durch die Dehydrosqualensynthetase (CrtM).Bernd Wieland, Corinna Feil, Eva Gloria-Maercker, Günther Thumm, Max Lechner, Jean-Michel Bravo, Karl Poralla, Friedrich Götz: Genetic and Biochemical Analyses of the Biosynthesis of the Yellow Carotenoid 4,4'-Diaponeurosporene of Staphylococcus aureus. In: Journal of Biological Chemistry 176, 24, Dezember 1994, S. 7719–7726, , PMID 8002598, . Aus der folgenden Oxidation durch die Dehydrosqualen-Desaturase CrtN geht das gelbe Zwischenprodukt 4,4-Diaponeurosporen C30H42 hervor. 4,4-Diaponeurosporen zeigt in einem Petroleum-Acetongemisch ein Absorptionsspektrum mit drei Peaks bei den Wellenlängen von 412 nm, 435 nm und 465 nm. 4,4-Diaponeurosporen C30H42 wird zur Säure 4,4-Diaponeurosporensäure C30H40O2 oxidiert (Gen CrtP).
Die Glycosyltransferase CrtQ verestert die Hydroxygruppe der Glucose am ersten C-Atom mit der 4,4-Diaponeurosporensäure. Im letzten Biosyntheseschritt findet die Verknüpfung der 12-Methyltetradecansäure, einer C15-Fettsäure, mit der Hydroxygruppe am sechsten C-Atom der Glucose zu dem goldgelben Pigment Staphyloxanthin statt.
Regulation Die Staphyloxanthin-Biosynthese ist sehr komplex und kann auf verschiedenen Stoffwechselebenen reguliert werden. Das Operon, in dem die Gene der Biosynthese organisiert sind, wird von einem Sigma-Faktor (B)-abhängigen Promotor reguliert und durch eine Terminator-Sequenz beendet. Der alternative Sigma-Faktor B, der an eine bestimmte DNA-Sequenz im crt-Promotorbereich des Operons bindet, reguliert direkt die Synthese von Staphyloxanthin.Jeffrey W. Hall, Junshu Yang, Haiyong Guo, Yinduo Ji: The Staphylococcus aureus AirSR Two-Component System Mediates Reactive Oxygen Species Resistance via Transcriptional Regulation of Staphyloxanthin Production. In: Infection and Immunity 85 (2), 26. Januar 2017, , PMID 27872240, . Deletions-Mutanten, die keinen Sigma-Faktor besitzen, waren weiß und zeigten keine Pigmentbildung.Ines Kullik, Philipp Giachino, Thomas Fuchs: Deletion of the Alternative Sigma Factor ςB in Staphylococcus aureus Reveals Its Function as a Global Regulator of Virulence Genes In: Journal of Biological Chemistry 180 (18), September 1998, S. 4814–4820, PMID 9733682, .