Biophysical and biochemical analysis of protein-ligand interactions in anti-infective drug discovery

Abstract

The increasing number of antibiotic-resistant pathogens has created an urgent demand for novel treatment options to combat infectious diseases. In this thesis, test systems have been established enabling hit identification, lead optimization, and characterization to contribute to the development of potent and innovative anti-infectives, which overcome existing bacterial resistances. In the first approach, inhibitors of the RNA polymerase ‘switch region’ were studied. Using biochemical and biophysical techniques the exact binding site and ligand binding mode of the ureidothiophene-2-carboxylic acid inhibitors were elucidated. Mode of action studies revealed that congeners of this structural class inhibit the bacterial transcription in the initiation phase. Moreover, the ureidothiophene-2-carboxylic acid inhibitors do not show any cross-resistances with rifampicin or myxopyronin and possess good antibacterial activity in clinically relevant multidrug-resistant MRSA strains. In the second approach, inhibitors of the CsrA-RNA interaction were discovered by using a screening and a ligand-based approach. CsrA is an mRNA-binding regulatory protein being essentiell for full virulence of bacteria and thus, it represents an attractive target for anti infective drug discovery. For this purpose, a test system based on biophysical methods was established, which enabled the identification and characterization of first small molecule and ligand-derived inhibitors of the CsrA-RNA interaction.

Aufgrund zunehmender Antibiotika-Resistenzen sind neue effiziente Therapiemöglichkeiten dringend erforderlich um eine erfolgreiche Behandlung von Infektionskrankheiten zu gewährleisten. Um die Entwicklung potenter und innovativer Anti-Infektiva zu unterstützen, wurden im Rahmen dieser Arbeit Testsysteme etabliert, welche die Identifizierung von Hitverbindungen sowie die Lead-Optimierung und Charakterisierung ermöglichen. Im ersten Ansatz wurden Hemmstoffe der RNA-Polymerase ‘switch region’ untersucht. Unter Anwendung biochemischer und biophysikalischer Methoden konnte deren genaue Bindestelle sowie der Ligandbindungsmodus aufgeklärt werden. Wirkmechanistische Studien haben gezeigt, dass die untersuchten Inhibitoren die Initiationsphase der Transkription hemmen. Die Inhibitoren wiesen keine Kreuzresistenz mit Rifampicin oder Myxopyronin auf und waren zudem wirksam gegen klinisch relevante MRSA Stämme. Der zweite Ansatz hatte die Entdeckung von Inhibitoren der CsrA-RNA Interaktion zum Ziel, welches mit einem Screening und einem Ligand-basierten Ansatz verfolgt wurde. Bei CsrA handelt es sich um ein mRNA bindendes, regulatorisches Protein, das essentiell für volle bakterielle Virulenz ist und somit ein interessantes Target für die Entwicklung neuer Anti Infektiva darstellt. Zu diesem Zweck wurde ein auf biophysikalischen Methoden basierendes Testsystem etabliert, mit dem erste ‚Small Molecule’ sowie Ligand-basierte Hemmstoffe identifiziert und charakterisiert werden konnten.