Discovery and development of novel anti-infective agents targeting DnaN and LasB: A dual approach against multidrug-resistant pathogens

Abstract

Multidrug-resistant bacterial infections involving P. aeruginosa, and M. tuberculosis require innovative therapeutics. This thesis targets two bacterial proteins: DnaN (DNA polymerase β subunit) and LasB (P. aeruginosa virulence factor) combining direct inhibition and anti-virulence strategies. Dynamic combinatorial chemistry identified M. tuberculosis DnaN binder from acylhydrazone. Structure-activity studies delivered chemically stable heterocyclic analogues using 1,3,4-oxadiazole, 1,3,4-thiadiazole, and 1,2,4-triazole replacements. Compound AEL227 showed antimycobacterial activity (MIC = 4.74 – 9.48 μg/mL), while AEL263 exhibited no cytotoxicity at 100 μM. Benzimidazole-based phosphonate inhibitors targeted LasB. N-H donor functionality enhanced potency, with 8108 achieving sub-nanomolar activity (IC₅₀ = 0.49 nM). Co-crystallization confirmed active site hydrogen-bonding. Lead compounds demonstrated metabolic stability, minimal cytotoxicity, selectivity over human metalloproteinases, and favorable lung exposure. Cellular assays showed epithelial protection; Galleria mellonella studies demonstrated survival improvement. Additionally, fluorescence polarization and surface plasmon resonance assays for DnaN screening were established, plus an open-source plasma protein binding prediction tool was developed (R² = 0.83). This work establishes complementary antimicrobial resistance strategies: DnaN inhibitors as novel antimycobacterials and LasB inhibitors for anti-virulence therapy.

Multiresistente bakterielle Infektionen mit S. aureus, P. aeruginosa und M. tuberculosis erfordern innovative Therapeutika. Aus diesem Grund zielt diese Arbeit auf zwei vielversprechende bakterielle Proteine ab: DnaN (DNA-Replikation) und LasB (P. aeruginosa-Virulenzfaktor). Hiermit erreichen wir eine direkte Hemmung der Bakterien (DnaN), LasB-Inhibition bewirkt hingegen einen Anti-Virulenz-Effekt. Dynamische kombinatorische Chemie führte zur Identifikation von M. tuberculosis DnaN-Inhibitoren aus dem Acylhydrazon-Hit WAM421. Struktur-Aktivitäts-Studien entwickelten stabile heterozyklische Analoga unter Verwendung von 1,3,4-Oxadiazol-, 1,3,4-Thiadiazol- und 1,2,4-Triazol-Ersatzstoffen. Die Leitverbindung AEL227 zeigte antimykobakterielle Aktivität (MIC = 4,74 – 9,48 μg/mL), während AEL263 keine Zytotoxizität bei 100 μM aufwies. Benzimidazol-basierte Phosphonat-Inhibitoren zielten auf LasB ab. Eine N-H-Donor-Funktionalität verstärkte die Potenz, wobei Verbindung 8108 subnanomolare Aktivität erreichte (IC₅₀ = 0,49 nM). Dessen Ko-Kristallisation mit LasB bestätigte aktive Stelle-Wasserstoffbrückenbindungen. Unsere Leitverbindungen zeigten metabolische Stabilität, minimale Zytotoxizität, Selektivität gegenüber humanen Metalloproteinasen und eine günstige Lungenexposition. Diese Arbeit etabliert komplementäre Antimikrobielle-Resistenz-Strategien: DnaN-Inhibitoren als neuartige antimykobakterielle Substanzen und LasB-Inhibitoren zur resistenzminimierenden Anti-Virulenz-Therapie.