Design and Synthesis of Inhibitors of the Anti-Infective Target Enzyme IspE

Abstract

Global health is facing a serious threat due to increasing multi-drug resistance in microorganisms, making most of the current therapeutic agents ineffective to treat infectious diseases. This study aims to revert this trend by focusing on the discovery of inhibitors of the underexplored enzyme IspE of the 2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate (MEP) pathway. Chapter A: A structure-based virtual screening campaign using Escherichia coli IspE afforded a fragment-like hit after filtering based on the eNTRy rules to ensure bacterial accumulation. Multi-parameter optimisation with the support of biophysical assays and structure-based design yielded a novel class of inhibitors, exhibiting activity against the more pathogenic bacteria Pseudomonas aeruginosa and Acinetobacter baumannii. Chapter B: The known accumulation rules into Gram-negative bacteria were assessed by implementing them to an amino acid modified series. This study reports the expression and purification of Plasmodium falciparum IspE, enabling the discovery of its first inhibitors. Chapter C: A prior inhibitor of PfIspE was discovered to suffer from decomposition. Substantial analytical efforts were taken to unravel the real chemical composition for the cause of antimalarial activity. Overall, this study adds novel chemical entities inhibiting the corresponding IspE enzymes with new molecular insights for structure–permeation relationships and provides key learnings about rule-based design and chemical decomposition.

Die zunehmende Multiresistenz von Mikroorganismen macht die meisten der heutigen Behandlungsmethoden für Infektionskrankheiten unwirksam und stellt somit eine globale Bedrohung dar. Um dieser Entwicklung entgegenzuwirken, befasst sich diese Studie mit der Entdeckung von Inhibitoren für das Enzym IspE des 2-C-Methyl-D-Erythritol-4-Phosphat-Stoffwechselweges (MEP). Kapitel A: Mittels der eNTRy-Regeln zur Verbesserung der bakteriellen Akkumulation, lieferte ein strukturbasiertes virtuelles Screening an Escherichia coli IspE einen fragmentartigen Treffer. Durch eine Multiparameter-Optimierung wurde eine neuartige Inhibitorklasse abgeleitet, die auch gegen die gefährlicheren Pseudomonas aeruginosa und Acinetobacter baumannii wirksam ist. Kapitel B: Die bekannten Akkumulationsregeln für Gram-negative Bakterien wurden überprüft, indem sie auf Verbindungen mit Aminosäuren angewandt wurden. Hier wird die Expression und Reinigung von Plasmodium falciparum IspE beschrieben, welche die Entdeckung erster PfIspE-Inhibitoren ermöglichte. Kapitel C: Bei einem PfIspE-Inhibitor wurde eine Zersetzungsreaktion festgestellt. Durch eine umfassende Analyse wurde die chemische Zusammensetzung entschlüsselt, die zu der Antimalaria‐Aktivität führte. Insgesamt wurden neue Inhibitoren der verschiedenen IspE-Enzyme entwickelt sowie neue Erkenntnisse über die Struktur-Permeationsbeziehung gewonnen. Außerdem liefert die Studie „Key Learnings“ zu regelbasiertem Wirkstoffdesign und chemischen Zersetzungsreaktionen.