Strategies to evade resistance: combining biophysical and biochemical approaches to discover compounds addressing new bacterial target systems

Abstract

The rising number of resistant bacteria combined with the innovation gap in the antibiotic development has become a huge health problem. Such infections are insufficient to be treated with the approved antibiotic agents on the market resulting in an increasing number of deaths and a financial burden on the healthcare system. Thus, there is a need for antiinfectives with new modes of action. P. aeruginosa, a Gram-negative pathogen often associated with antibiotic resistance, controls the production of major virulence factors and biofilm formation via a quorum sensing system. PqsD and PqsR are key player proteins in this system. The interruption of their function by small molecules should lower virulence of the bacterium without exerting a selection pressure on it. A biophysical method-guided binding mode characterization supports the optimization of these small molecules. Influence of the compounds on biofilm formation validates their pharmacological efficiency on this lifestyle characteristic for chronic infections. M. tuberculosis that still kills millions of people worldwide is hard to be eradicated because of a dormant state and a huge number of resistances. The high content of CYP enzymes encoded in the genome provides a promising base for new drug targets. CYP121 is essential for growth in vitro; CYP125 plays an important role for survival in vivo. Biophysical and biochemical test systems are used for identification and characterization of the first hit molecules.

Das zunehmende Auftreten von resistenten Bakterien verbunden mit einer Innovationslücke in der Antibiotikaentwicklung führen zu einer ansteigenden Zahl an Todesopfern und einer finanziellen Belastung des Gesundheitssystems. Folglich besteht ein dringender Bedarf an Antiinfektiva mit neuen Wirkmechanismen. P. aeruginosa, ein Gram-negativer Krankheitserreger, der oft im Zusammenhang mit Antibiotikaresistenzen steht, kontrolliert die Produktion von Virulenzfaktoren sowie die Biofilmbildung mittels eines „Quorum Sensing-Systems“. PqsD und PqsR sind Schlüsselproteine in diesem System. Das Stören ihrer Wirkungsweise mittels kleiner Moleküle sollte die Virulenz des Bakteriums herabsetzen, ohne einen Selektionsdruck auszuüben. Eine biophysikalische Methode zur Aufklärung des Bindungsmodus dieser kleinen Moleküle unterstützt hier auch deren Optimierung. Der Einfluss der Verbindungen auf die Biofilmbildung, die für chronische Infektionen essentiell ist, validiert deren pharmakologische Wirksamkeit. M. tuberculosis tötet immer noch Million Menschen auf der ganzen Welt und ist wegen seiner Dormanz und einer großen Anzahl an Resistenzen schwer zu behandeln. Eine hohe Anzahl an CYP Enzymen im Genom dieser Bakterien bietet eine vielversprechende Grundlage für neue Wirkstofftargets. CYP121 ist essentiell für das in vitro Wachstum; CYP125 spielt eine wichtige Rolle für das in vivo Überleben. Biophysikalische und biochemische Methoden werden verwendet, um Hit-Verbindungen zu identifizieren und biologisch zu charakterisieren.