Studies on the bacterial uptake and biological evaluation of nucleoside antibiotics

Abstract

This PhD thesis was divided into biological and synthetic studies with a focus on muraymycins, a class of nucleoside antibiotics which inhibit the bacterial, membrane-bound enzyme MraY. The biological projects included the development and validation of assays that were used to determine the structure-activity relationship of drug candidates. Cellular uptake into Gram-positive and Gram-negative bacteria was of special interest in this work. MraY, its different preparations, the corresponding activity assays, resistance development and protein-protein interactions of MraY were studied. Membrane disruption by hemolysis and methods for the determination of esterase activity in biological media were investigated. The synthetic project focused on muraymycin prodrugs. Muraymycins exhibit low antibacterial activities, which is attributed to limited cellular uptake into bacterial cells. It was therefore envisioned to increase the lipophilicity of known muraymycin analogues to achieve better antibacterial activities using a prodrug approach. These prodrugs will make use of intracellular esterases to release the potent drug after cellular entrance. Synthesis of the muraymycin prodrugs was performed by stereoselective multistep routes.

Diese Dissertation ist in biologische und synthetische Studien gegliedert. Schwerpunkt der Projekte waren Muraymycine, eine Klasse von Nucleosid-Antibiotika, die das bakterielle, membranständige Enzym MraY hemmen. Zu den biologischen Projekten gehörte die Entwicklung und Validierung verschiedener Assays, mit deren Hilfe Struktur-Aktivitäts-Beziehungen von Wirkstoffkandidaten ermittelt wurden. Von besonderem Interesse war die Zellaufnahme in Gram-positive und Gram-negative Bakterien. MraY, unterschiedliche Präparationen des Proteins und die dazugehörigen Assays zur Bestimmung der Proteinaktivität sowie die Möglichkeit der Resistenzentwicklung und Wechselwirkungen zu anderen Proteinen wurden thematisiert. Membrandisruption in Form von Hämolyse sowie Methoden zur Aktivitätsbestimmung von Esterasen in biologischen Medien wurden untersucht. Das Syntheseprojekt konzentrierte sich auf Muraymycin-Prodrugs. Muraymycine weisen geringe antibakterielle Aktivitäten auf, was auf eine begrenzte zelluläre Aufnahme in Bakterienzellen zurückgeführt wird. Ziel war es daher, die Lipophilie bereits bekannter Muraymycin-Analoga zu erhöhen, um mit Hilfe eines Prodrug-Ansatzes bessere antibakterielle Wirkungen zu erzielen. Bei diesem Prodrugansatz sollen bakterieneigene Esterasen genutzt werden, um den potenten Wirkstoff nach erfolgter Zellaufnahme freizusetzen. Die Synthese der Muraymycin-Prodrugs erfolgte auf Basis stereoselektiver, mehrstufiger Syntheserouten.