Structure-based design of 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase ligands

Abstract

The widespread use of antibiotics has undoubtedly saved countless lives over the last century. However, their indiscriminate use has contributed to the emergence of antimicrobial resistance (AMR), posing a significant challenge to healthcare. Despite the efforts to combat AMR, the discovery and development of new antibiotics have stalled, with few novel drugs approved in recent years. Moreover, these new antibiotics are typically derived from known chemical classes and mechanisms of action, exacerbating the need for new and innovative antibiotics.

The research presented in this thesis makes significant progress in addressing this challenge by focusing on the essential bacterial metalloenzyme 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase (DXR). While existing inhibitors of DXR have been extensively studied, they often possess unfavorable pharmacokinetic properties, highlighting the need for novel compounds. Utilizing structure-based drug design (SBDD) principles, fragment screening and chemical space docking were conducted to discover new ligands for DXR.

The optimization of protein expression and purification protocols, particularly the development of novel buffer conditions, was crucial in facilitating the biochemical and screening experiments. Furthermore, the analysis of ligands containing metal coordinating groups provided insights into desirable motifs in metalloenzyme inhibitors and directed the selection of a carboxylic acids fragment library for the fragment screening.

The fragment screening identified promising ligands for PaDXR, with opportunities for further optimization and therapeutic development. In addition, promising ligands for EcDXR were suggested by chemical space docking. Comprising trillions of virtual products, this in silico study also provided meaningful insights into the binding poses and interactions between virtual products, the enzyme, and the metal ion. Overall, this work not only contributes to our understanding of enzymes like DXR but also lays the groundwork for future research and therapeutic targeting, thus driving innovation in drug design research.

Sammendrag:

Den omfattende bruken av antibiotika har utvilsomt reddet utallige liv i løpet av det siste århundret. Imidlertid har deres utstrakte bruk bidratt til fremkomsten av antimikrobiell resistens (AMR), noe som utgjør en betydelig utfordring for helsevesenet. Til tross for innsatsen for å bekjempe AMR, har oppdagelsen og utviklingen av nye antibiotika stanset opp, med få nye legemidler godkjent de siste årene. Videre er disse nye antibiotikaene typisk avledet fra kjente kjemiske klasser og virkningsmekanismer, noe som øker behovet for nye og innovative antibiotika.

Forskningen presentert i denne avhandlingen representerer betydelig fremgang i å møte denne utfordringen ved å fokusere på det essensielle bakterielle metallenzymet 1-deoksy-D-xylulose 5-fosfat reduktisomerase (DXR). Eksisterende inhibitorer av DXR har blitt grundig studert, men de har ofte ugunstige farmakokinetiske egenskaper, noe som understreker behovet for nye molekyler. Ved å bruke prinsippene for strukturbasert legemiddeldesign (SBDD), ble fragmentscreening og docking av kjemisk rom gjennomført for å oppdage nye ligander for DXR.

Optimaliseringen av protokoller for proteinuttrykking og -rensing, spesielt utviklingen av nye bufferforhold, var avgjørende for å lette de biokjemiske og screeningeksperimentene. Videre ga analysen av ligander som inneholder metallkoordinerende grupper innsikt i ønskelige motiver i metallenzymhemmere og dirigerte valget av et bibliotek med karboksylsyre-fragmenter for fragmentscreeningen.

Fragmentscreeningen identifiserte lovende ligander for PaDXR, med muligheter for videre optimalisering og terapeutisk utvikling. I tillegg ble lovende ligander for EcDXR foreslått ved docking av kjemisk rom. Bestående av billioner av virtuelle produkter, ga denne in silico-studien også meningsfulle innsikter i bindingstillingene og interaksjonene mellom virtuelle produkter, enzymet og kofaktoren. Alt i alt bidrar dette arbeidet ikke bare til vår forståelse av enzymer som DXR, men legger også grunnlaget for fremtidig forskning i deres mekanismer og terapeutiske målretting, og driver dermed innovasjon innen forskning på legemiddeldesign.

Resumo:

O amplo uso de antibióticos salvou inúmeras vidas ao longo do último século. No entanto, seu uso indiscriminado contribuiu para a emergência da resistência antimicrobiana (AMR), representando um grande desafio para o sistema de saúde. Apesar dos esforços para combater a AMR, a descoberta e desenvolvimento de novos antibióticos estagnaram, com poucos medicamentos novos aprovados nos últimos anos. Ademais, esses novos antibióticos geralmente são derivados de classes químicas e mecanismos de ação conhecidos, exacerbando a necessidade de antibióticos novos e inovadores.

A pesquisa presente nesta tese enfrenta esse desafio ao focar na metaloenzima bacteriana essencial 1-desoxi-D-xilulose 5-fosfato redutoisomerase (DXR). Embora os inibidores existentes da DXR tenham sido extensivamente estudados, eles frequentemente possuem propriedades farmacocinéticas desfavoráveis, destacando a necessidade de novos compostos. Utilizando os princípios do desenho de fármacos baseado na estrutura (SBDD), uma triagem de fragmentos e um acoplamento de espaço químico foram realizados para descobrir novos ligantes para DXR.

A otimização dos protocolos de expressão e purificação de proteínas, particularmente o desenvolvimento de novas condições de solução-tampão, foi crucial para facilitar os experimentos bioquímicos e de triagem. Além disso, a análise de ligantes contendo grupos coordenando com metais evidenciou motivos desejáveis em inibidores de metaloenzimas e direcionou a seleção de uma biblioteca de fragmentos de ácido carboxílicos para a triagem de fragmentos.

A triagem de fragmentos identificou ligantes promissores para PaDXR, com oportunidades para otimização adicional e desenvolvimento terapêutico. Ademais, ligantes promissores para EcDXR foram sugeridos pelo acoplamento de espaço químico. Compreendendo trilhões de produtos virtuais, este estudo in silico também elucidou as interações entre os produtos virtuais, a enzima e o cátion metálico. Em suma, esta tese não só contribui para a nossa compreensão de enzimas como a DXR, mas também suporta pesquisas futuras e direcionamento terapêutico, impulsionando a inovação na pesquisa de desenho de fármacos.