Making and breaking antibiotics – structural studies of Bottromycin biosynthesis and a mechanism of Albicidin resistance

Abstract

The emergence of antibacterial resistance is a major public health threat that warrants urgent attention. The discovery of new antibacterial natural products and unravelling of their biosynthesis, coupled with the study of resistance mechanisms employed by bacteria to evade antibiotics will be vital in ensuring that we maintain a viable antibiotic development pipeline. This thesis covers two aspects of antibiotic research: deciphering bottromycin biosynthesis and AlbA mediated antibiotic resistance. Bottromycins are potent antibacterial peptides that bind a novel bacterial target: The A-site of the ribosome. Bottromycin biosynthesis is still not fully understood, especially the role of two hydrolases, BotAH and BotH. The in-depth functional and structural characterization studies presented here demonstrate that BotAH is responsible for a key proteolytic step, whereas BotH is an atypical hydrolase-like enzyme responsible for the post-translational epimerization of L-Asp to D-Asp in bottromycin biosynthesis. AlbA is a resistance protein that had previously been reported to neutralize a potent antibacterial compound, albicidin. The structural and functional studies of AlbA presented here not only reveal the mode of albicidin binding, but also the underlying mechanism of its modification by AlbA, resulting in loss of potency. The data also demonstrate that AlbA constitutes an autoregulated antibiotic resistance system, present in a wide variety of pathogenic bacteria.

Die Entstehung von Antibiotikaresistenzen ist eine ernste Gefahr für die Gesundheit der Weltbevölkerung und bedarf dringender Aufmerksamkeit. Die Entdeckung neuer Naturstoffe mit antibiotischer Wirkung und ein Entschlüsseln ihrer Biosynthese zusammen mit einem besseren Verständnis der Resistenzmechanismen, die Bakterien entwickeln um sich zur Wehr zu setzen, ist essentiell um sicherzustellen, dass wir eine Tragfähige Strategie zur Entwicklung neuer Antibiotika haben. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit zwei Aspekten der Antibiotikaforschung: Einem besseren Verständnis der Bottromycin Biosynthese und dem Resistenzprotein AlbA. Bottromycine sind potente antibakterielle Peptide und ihre Biosynthese ist noch nicht vollständig erforscht, besonders die Rolle der beiden Hydrolasen BotAH und BotH. Die detaillierte funktionelle und strukturelle Charakterisierung der beiden Proteine ist Teil dieser Arbeit. BotAH ist für einen wichtigen proteolytischen Schritt in der Biosynthese verantwortlich, wohingegen BotH eine sehr atypische Hydrolase ist und die post-translationale Umwandlung von l-Asp in d-Asp katalysiert. AlbA neutralisiert den potenten antibiotischen Naturstoff Albicidin. Die strukturelle und funktionelle Untersuchung von AlbA zeigte nicht nur auf wie AlbA Albicidin bindet und es dabei modifiziert, sondern auch das AlbA ein autoinduzierbares antibiotisches Resistenzprotein ist, das in vielen pathogenen Bakterien zu finden ist.