Mechanism of L,D-transpeptidase inhibition by β-lactams and diazabicyclooctanes
Institution:
Sorbonne universitéDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Antibiotic resistance is a growing and global threat to human health that has led to an acute need for the development of new antibiotics. Elucidating the mechanism of inhibition of antibiotic targets is crucial for the development of more potent drugs. The essentiality of peptidoglycan and more than seventy years of successful use of β-lactams have made polymerization of this major cell wall component an attractive and validated target for drug development. Active-site serine Penicillin-Binding Proteins (PBPs) have long been considered as the only enzymes catalyzing the essential cross-linking step of peptidoglycan polymerization. The thesis explores inhibition of a distinct family of enzymes, the active-site cysteine L,D-transpeptidases (LDTs), that have a preponderant role in peptidoglycan synthesis in Mycobacterium tuberculosis. We show that the efficacy of LDT inhibition by β-lactams is primarily governed by the reactivity of the four-membered ring. We propose that acylation of LDTs by β-lactams proceeds through formation of an amine anion intermediate, followed by a subsequent irreversible step that is essential for the antibacterial activity of the drugs. A fluorescence spectroscopy approach enabling kinetic analyses of the acylation steps was developed to explore inactivation mechanisms and to evaluate the efficacy of new synthetic drugs. We also identify diazabicyclooctanes (DBOs) as new pharmacophores that inactivate LDTs by formation of a thio-carbamoyl-enzyme. We discuss several mechanism-based strategies for rational optimization of LDT inhibitors belonging to the β-lactam and DBO families.
Abstract FR:
La résistance aux antibiotiques est une menace mondiale qui conduit à un besoin urgent de développement de nouveaux antibiotiques. L'étude du mécanisme d'inhibition des cibles des antibiotiques est cruciale pour le développement de nouvelles molécules. Le caractère essentiel du peptidoglycane, le composant majeur de la paroi bactérienne, ainsi que soixante-dix ans d'utilisation des β-lactamines ont fait de la polymérisation du peptidoglycane une cible attractive et validée pour les antibiotiques. Les protéines de liaison à la pénicilline (PLP) ont longtemps été considérées comme les seules enzymes catalysant l’étape essentielle de réticulation du peptidoglycane. La thèse explore l'inhibition d'une famille distincte d'enzymes, les L,D-transpeptidases (LDT), qui jouent un rôle prépondérant dans la réticulation chez Mycobacterium tuberculosis. Nous avons montré que l'efficacité d'inhibition des LDT par les β-lactamines est principalement régie par la réactivité du noyau β-lactame. Nous proposons que l'acylation des LDT par les β-lactamines implique la formation d'un intermédiaire, une amine anionique, suivie d'une étape irréversible qui est essentielle pour l'activité antibactérienne. Une approche par spectroscopie de fluorescence a été développée pour explorer les mécanismes d'inactivation et évaluer l'efficacité de nouvelles molécules. Nous avons également identifié une nouvelle famille de molécules, les diazabicyclooctanes (DBO), qui inactivent les LDT par la formation d'un thio-carbamoyl-enzyme. Nous discutons de plusieurs stratégies basées sur le mécanisme d’inactivation pour l’optimisation rationnelle d’inhibiteurs appartenant aux familles des β-lactamines et des DBO.