Development and characterization of PqsD inhibitors to interrupt cell-to-cell communication in Pseudomonas aeruginosa

Abstract

Due to the lack of new types of antibiotics and propagating resistance against all available classes, an increasing number of bacterial infections cannot be efficiently treated anymore. Anti-virulent compounds, which target bacterial pathogenesis without affecting cell viability and consequently exert less selection pressure, were recently suggested. Most bacteria control pathogenesis via cell-density-dependent cell-to-cell communication (quorum sensing, QS), which makes QS an appropriate target to pursue an anti-virulence strategy. Besides the widespread acyl homoserine lactone signal molecules, the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa applies a rather unique quinolone-based QS system. Thus, inhibitors of PqsD, a key enzyme in the signal molecule biosynthesis, should be developed to specifically combat P. aeruginosa infections. Using a ligand-based approach, the first class of PqsD inhibitors was identified. Simplification and rigidization led to a fragment with high ligand efficiency, which significantly inhibited signal molecule production and biofilm formation in P. aeruginosa. Various methods to characterize the mode of action of PqsD inhibitors were developed, which allowed the proposal of their binding modes. Fine-tuning of the fragment provided PqsD inhibitors with high potential for further improvements. Furthermore, they constitute valuable tools to analyze QS regulation pathways, and to evaluate PqsD as drug target for the treatment of P. aeruginosa.

Die Behandlung bakterieller Infektionen wird durch die stagnierende Entwicklung neuer Antibiotika und vermehrter Resistenzbildung zunehmend erschwert. Anti-virulente Verbindungen, welche die Pathogenität der Bakterien absenken ohne deren Lebensfähigkeit zu beeinflussen und damit keinen Selektivitätsdruck ausüben, stellen einen neuen Therapieansatz dar. Die Pathogenität der meisten Bakterien wird durch ein zelldichteabhängiges interzelluläres Kommunikationssystem (Quorum Sensing, QS) gesteuert. Das opportunistische Pathogen Pseudomonas aeruginosa verwendet neben den üblichen Lactonen zusätzlich Chinolone als Signalmoleküle. Dabei ist das Enzym PqsD essentiell für deren Biosynthese und eignet sich daher als Wirkstoff-Target einer Anti-Virulenz Strategie für die spezifische Bekämpfung von P. aeruginosa. In einem Ligand-basierten Ansatz wurde die erste PqsD Inhibitorenklasse identifiziert. Die Verkleinerung und Rigidisierung führten zu einem Fragment, das eine hohe Liganden-effizienz aufweist und die Signalmolekül- und Biofilmbildung in P. aeruginosa hemmt. Mehrere Methoden zur Aufklärung der Wirkungsweisen von PqsD Inhibitoren wurden entwickelt, so dass konkrete Bindungsposen vorgeschlagen werden konnten. Die strukturelle Feinabstimmung des Fragments lieferte leicht weiteroptimierbare PqsD Inhibitoren, die als Tools zur Analyse der QS Regulationswege genutzt werden können und ferner der Beurteilung von PqsD als Drug-Target zur Behandlung von P. aeruginosa dienen.