Discovery of novel inhibitors targeting underexplored bacterial and malarial enzymes to combat antimicrobial resistance

Abstract

Antimicrobial resistance poses a growing health threat, underscoring the urgent need for therapeutic agents with novel mode of action. This thesis addresses this challenge by identifying and optimizing inhibitors against underexplored targets relevant to bacterial and malaria infections. The first part focuses on 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase (DXPS), a complex enzyme from the methyl-D-erythritol phosphate (MEP) pathway, which is absent in humans and thus offers the potential for reduced off-target effects. We report the discovery of a novel thienopyrimidinone class of inhibitors of Klebsiella pneumoniae DXPS (KpDXPS). Furthermore, we established and successfully applied kinetic target-guided synthesis (KTGS), a protein-templated hit-identification strategy to KpDXPS, marking the first successful application of this approach for any enzyme of MEP pathway. This highlights KTGS as a powerful tool for early-stage drug discovery on challenging enzyme targets. In the last part, we identified a pyrimidinyl-benzimidazole series as potent inhibitors of Plasmodium phosphatidylinositol-4-kinase β (PI4Kβ), a key enzyme essential for the survival of the malaria parasite. Collectively, these studies expand the portfolio of inhibitors targeting two underexplored antimicrobial enzymes and establish new foundations for antibacterial and antimalarial drug discovery.

Die antimikrobielle Resistenz stellt eine wachsende Bedrohung für die öffentliche Gesundheit dar und unterstreicht den dringenden Bedarf an Therapeutika mit neuartigen Wirkmechanismen. Diese Dissertation widmet sich dieser Herausforderung, indem sie Inhibitoren gegen bislang wenig erforschte Zielstrukturen identifiziert und optimiert, die sowohl für bakterielle als auch für Malaria-Infektionen von Bedeutung sind. Der erste Teil konzentriert sich auf die 1-Desoxy-D-Xylulose-5-Phosphat-Synthase (DXPS), ein komplexes Enzym des Methyl-D-Erythritol-Phosphat-(MEP)-Stoffwechselwegs, das im Menschen nicht vorkommt und somit das Potenzial für geringere Nebenwirkungen bietet. Wir berichten über die Entdeckung neuartiger Thienopyrimidinon-Inhibitoren der Klebsiella pneumoniae DXPS (KpDXPS). Darüber hinaus wurde die kinetisch zielgerichtete Synthese (KTGS), eine protein-basierte Strategie zur Hitidentifikation, auf KpDXPS etabliert und angewendet. Dies stellt die erste erfolgreiche Anwendung dieses Ansatzes auf einem Enzym des MEP-Stoffwechselwegs dar und unterstreicht das Potenzial der KTGS als leistungsstarkes Werkzeug für die frühe Phase der Wirkstoffforschung bei anspruchsvollen Zielproteinen. Im abschließenden Teil dieser Arbeit wurde eine Pyrimidinyl-Benzimidazol-Serie als potente Inhibitoren der Plasmodium Phosphatidylinositol-4-Kinase β (PI4Kβ) identifiziert, einem Schlüsselenzym, das für das Überleben des Malariaparasiten essenziell ist. Insgesamt erweitern diese Studien die Sammlung von Inhibitoren gegen zwei bislang untererforschte antimikrobielle Zielstrukturen und schaffen neue Grundlagen für die Entwicklung von Wirkstoffen gegen bakterielle Infektionen und Malaria.