Overcoming and preventing bacterial resistance to antibiotics : the development and characterization of novel RNA polymerase and PqsD inhibitors

Abstract

The treatment of bacterial infections is seriously hampered by the prevalence of resistance to clinically used antibiotics. Thus, there is an urgent need for the development of novel anti-infectives which are able to overcome existing resistances and do not provoke the quick emergence of new ones. In this work, an approach comprising a pharmacophore guided virtual screening is applied to identify novel scaffolds inhibiting the validated bacterial target RNA polymerase (RNAP). Structural modifications of the discovered hits result in potent RNAP inhibitors, which are active against Gram-positive pathogens and exhibit significantly lower resistance frequencies compared to clinically used rifampicin. Subsequent investigations concerning the molecular mechanism of RNAP inhibition reveal the compounds as inhibitors of protein-protein interaction between σ70 and the RNAP core enzyme and suggest the inhibitors’ binding site. In the second part of this work, the discovered compounds are demonstrated to additionally inhibit PqsD, an attractive target to disrupt cell-to-cell communication of Pseudomonas aeruginosa. For this promising anti-virulence concept, which should avoid the occurrence of resistance, bacterial cell death caused by RNAP inhibition is not intended. Thus, the structural requirements needed for PqsD selectivity are elucidated, thereby highlighting the versatility and potential of the discovered benzamidobenzoic acids in the fight against bacterial resistances.

Die Behandlung von bakteriellen Infektionen wird durch Resistenzen gegen klinisch verwendete Antibiotika zunehmend gefährdet. Daher besteht großes Interesse an der Entwicklung neuer Antiinfektiva, die in der Lage sind bestehende Resistenzen zu überwinden und die schnelle Entstehung neuer zu vermeiden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Pharmakophor-basiertes virtuelles Screening verwendet, um neue Inhibitoren des bakteriellen Targets RNA-Polymerase (RNAP) zu finden. Strukturelle Modifikationen der identifizierten Hits führen zu potenten RNAP-Hemmstoffen, die gegen grampositive Bakterien aktiv sind und weniger häufig zu Resistenzen führen als das klinisch eingesetzte Rifampicin. Nachfolgende Untersuchungen des molekularen Mechanismus der RNAP-Inhibition decken auf, dass die Verbindungen Hemmstoffe der Protein-Protein-Interaktion zwischen σ70 und dem RNAP Core-Enzym sind, und lassen auf die Bindestelle der Inhibitoren schließen. Im zweiten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass die entdeckten Verbindungen außerdem PqsD hemmen, ein attraktives Target, das für die Zell-Zell-Kommunikation in Pseudomonas aeruginosa verantwortlich ist. Da in diesem Antivirulenzkonzept, das das Auftreten von Resistenzen verhindern soll, der bakterielle Zelltod durch RNAP-Hemmung unerwünscht ist, werden die strukturellen Voraussetzungen für PqsD-Selektivität aufgeklärt. Dabei werden die Vielseitigkeit und das Potenzial der entdeckten Benzamidobenzoesäuren im Kampf gegen bakterielle Resistenzen beleuchtet.