Discovery of novel inhibitors of mycobacterial β-sliding clamp

Abstract

The development of total antibiotic resistance is becoming a looming threat for world healthcare, thereby underlining the need for the development of novel antibiotics with unprecedented modes of action. A promising target in this respect is the bacterial β-sliding clamp (DnaN), which has recently been identified and proven to be crucial for bacterial replication and resistance development. For this thesis, we established SAR around the structure of a highly promising virtual screening hit H1, that demonstrated significant binding to DnaN and antibacterial activity. Derivatives of H1, synthesized in the course of SAR establishment efforts, demonstrated improved inhibitory activity against Mycobacteria and Gram-positive bacteria, but failed to impact efflux-competent Gram-negative pathogens. Using a combination of biophysical methods, we elucidated the details of H1's interaction with the β-clamp. As a second approach, a fragment-based screening campaign led to the discovery of hits that were synthetically optimized and grown to achieve improved DnaN binding and enhanced antibacterial activity. Overall, the results of the work summarized in the present thesis feature the identification of two new classes of small-molecule inhibitors of M. tuberculosis β-sliding clamp. The most promising representatives of both classes demonstrated appreciable target engagement in vitro and concomitant antibacterial activity, which paves the way for their further optimization and development.

Die Entwicklung einer vollständigen Antibiotikaresistenz stellt eine bedrohliche Gefahr für die weltweite Gesundheitsversorgung dar und unterstreicht somit die Notwendigkeit der Ent-wicklung neuartiger Antibiotika mit beispiellosen Wirkungsweisen. Ein vielversprechendes Ziel in diesem Zusammenhang ist die bakterielle β-klammer (DnaN), die kürzlich identifiziert wurde und sich als entscheidend für die bakterielle Replikation und die Entwicklung von Resistenz er-wiesen hat. In dieser Dissertation haben wir eine Struktur-Wirkungs-Beziehung (SAR) um das vielver-sprechende virtuelle Screening-Hit H1 etabliert, das eine signifikante Bindung an DnaN und antibakterielle Aktivität zeigte. Abkömmlinge von H1, die im Zuge der SAR-Bemühungen syn-thetisiert wurden, zeigten eine verbesserte Hemmaktivität gegen Mykobakterien und grampositi-ve Bakterien, hatten jedoch keinen Einfluss auf Gram-negative Krankheitserreger mit Efflux-Kompetenz. Mit einer Kombination von biophysikalischen Methoden haben wir die Details der Wechselwirkung von H1 mit der β-Klammer aufgeklärt. Als zweiter Ansatz führte eine fragmentbasierte Screening-Kampagne zur Entdeckung von Treffern, die synthetisch optimiert und weiterentwickelt wurden, um eine verbesserte Bindung an DnaN und eine verstärkte antibakterielle Aktivität zu erreichen. Insgesamt umfasst die Arbeit, die in dieser Dissertation zusammengefasst ist, die Identifi-zierung von zwei neuen Klassen von kleinen Molekülinhibitoren der M. tuberculosis β-klammer. Die vielversprechendsten Vertreter beider Klassen zeigten eine signifikante Bindung an das Zielprotein in vitro und gleichzeitig antibakterielle Aktivität, was den Weg für weitere Optimie-rung und Entwicklung ebnet.