Razbijanje sten: razvoj inhibitorjev D,D- in L,D-transpeptidaz

Protimikrobna odpornost je ena izmed desetih največjih globalnih javnozdravstvenih težav, povezanih z alarmantnim povečanjem števila bakterijskih okužb, ki jih ni več mogoče zdraviti z razpoložljivimi kemoterapijami. Po podatkih Svetovne zdravstvene organizacije bi lahko, če ne bomo ukrepali, do leta 2050 število smrti, ki jih povzročijo odporne bakterije, doseglo 10 milijonov letno. Da bi rešili to težavo, je nujno potrebno odkrivati in razvijati nove protibakterijske učinkovine, ki se vežejo tako na nove kot na že validirane tarče. Ker so številna velika farmacevtska podjetja prenehala z razvojem novih protibakterijskih učinkovin, je nujno, da to nalogo namesto njih prevzamejo manjša podjetja in predvsem akademska sfera. Okužbe z odpornimi G-bakterijami je še posebej težko zdraviti, ker neprepustnost zunanje membrane omejuje dostop številnim standardnim antibiotikom. Problema neprepustnosti zunanje membrane G-bakterij se je nujno potrebno lotiti z inovativnimi pristopi. V okviru projekta se želimo boriti proti odpornim G-bakterijam z destabilizacijo njihove zunanje membrane in s tem potenciranjem delovanja standardnih antibiotikov, da lažje prodrejo v bakterijske celice in jih uničijo. Da bi zagotovili boljši izid projekta, bomo v projektu uporabili dva vzporedna pristopa za ciljanje biosinteze bakterijske celične stene. V prvem pristopu bomo načrtovali in sintetizirali nove inhibitorje D,D-transpeptidaz (imenovanih tudi penicilin-vezavni proteini). D,D-transpeptidaze so z membrano povezani encimi, ki sodelujejo v končnih korakih biosinteze peptidoglikana, saj katalizirajo navzkrižno povezovanje peptidnih verig. Predstavljajo validirane tarče za odkrivanje novih protibakterijskih učinkovin, saj jih zavira najpomembnejši razred antibiotikov – beta-laktami. Pri tem pristopu bomo uporabili naše obsežne izkušnje pri načrtovanju in sintezi monocikličnih beta-laktamov in razvili nove monobaktame s »super stransko verigo«. Ti inovativni monobaktami bodo pripravljeni z optimizirano sintezo in bodo substituirani s stranskimi verigami meropenema, ceftobiprola in podobnih antibiotikov, kar bo zagotavljalo visoko inhibitorno jakost proti D,D-transpeptidazam, vključno s tistimi iz odpornih bakterij, in močno protimikrobno delovanje. L,D-transpeptidaze (LdtA, LdtB in LdtC) iz Escherichie coli katalizirajo druge transpeptidacijske reakcije. Na peptidoglikan pritrdijo v zunanjo membrano zasidran lipoprotein (Lpp, Braunov lipoprotein), kar zagotavlja edino kovalentno povezavo med zunanjo membrano in celično steno. V drugem pristopu tega projekta bomo razvili specifične zaviralce LdtA-C. Ker ti encimi vsebujejo katalitični cistein, bomo svoje izkušnje pri razvoju inhibitorjev encimov s katalitičnim cisteinom uporabili za razvoj prvih inhibitorjev Ldt iz E. coli. Za dosego tega cilja bomo uporabili odkrivanje zdravil na osnovi fragmentov. Najprej bomo izvedli rešetanje različnih knjižnic fragmentov, nato pa bomo z rentgensko kristalografijo ali NMR določili načini njihove vezave. V naslednjem koraku bomo uporabili strukturno-podprto načrtovanje za ustvarjanje idej, kako izboljšati in povečati fragmente, te izboljšane spojine pa bomo sintetizirali in ovrednotili. Medtem ko bodo novi zaviralci D,D-transpeptidaz predstavljali pomembne spojine vodnice z protibakterijskim delovanjem, bodo zaviralci L,D-transpeptidaz senzibilizirali G-bakterije na standardne antibiotike, tako da bodo naredili njihovo zunanjo membrano prepustno. Takšne spojine bodo »potenciatorji«, ki olajšajo vstop antibiotikov za ubijanje bakterijskih celic. To bo prvi poskus razvoja in ovrednotenja inhibitorjev LdtA-C kot potenciatorjev.