Optimisation des inhibiteurs des bêta-lactamases de la famille diazabicyclo-octane et conception d'une approche basée sur la spectrométrie de masse pour explorer la polymérisation du peptidoglycane

Optimization of beta-lactamase inhibitors belonging to the diazabicyclo-octane family and design of a mass spectrometry-based approach for exploring peptidoglycan polymerization

• Auteur / Autrice : Heiner Atze
• Direction : Michel Arthur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie
• Date : Soutenance le 29/09/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche des Cordeliers (Paris ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexandra Aubry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Séverine Zirah
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Pierre Chapot-Chartier, Thierry Touzé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inhibiteurs de la bêta-lactamase

Résistance aux bêta-lactamines

Peptidoglycanes

Mots clés libres

Bêta-lactamase

Polymérisation du peptidoglycane

Diazabicyclooctane

Résistance aux antimicrobiens

Inhibiteur de bêta-lactamase

Métabolisme du peptidoglycane

Beta-lactamase

Peptidoglycan polymerization

Diazabicyclooctane

Antimicrobial resistance

Beta-lactamase inhibitor

Peptidoglycan metabolism

Résumé

Le peptidoglycane (PG) forme un réseau covalent comprenant de chaînes glycanes reliées par des peptides. Le PG est une cible validée pour développer de nouveaux antibiotiques parce que c’est un composant spécifique et essentiel des bactéries. En effet, les antibiotiques appartenant à la famille des β-lactamines inactivent les protéines de liaisons à la pénicilline (PLP) qui catalysent la dernière étape de polymérisation du PG. Un mécanisme répandu de résistance est la production de β-lactamases (βL) qui inactivent les β-lactamines. Une première génération d’inhibiteurs de βL a été basée sur le noyau β-lactame suivi par les diazabicyclooctanes (DBO) entrés sur le marché en 2015 avec l’avibactam. L’émergence de mutations compromettant l’efficacité des DBO nous a incités à étudier une série de dérivés obtenue par chimie click qui contenait un groupement triazole. Ce dernier s’est avéré défavorable en raison de l’absence de la liaison hydrogène reliant le carboxamide des DBO commercialisés au résidu conservé N132 des βL. Cependant, la fonctionnalisation du triazole a partiellement restauré l’efficacité des DBO sans altérer leur pénétration. Les PLP peuvent être remplacées par des L,D-transpeptidases (LDT) entrainant une résistance aux β-lactamines. Nous avons étudié le mode d’insertion de nouvelles sous-unités dans le PG en expansion en développant une nouvelle méthode basée sur le marquage avec des isotopes lourds et la spectrométrie de masse. Nous rapportons les modes de polymérisation du PG dans des souches utilisant des PBP et une LDT, seules ou en combinaison, et en présence ou en absence de β-lactamine, ainsi que la participation du recyclage au métabolisme du PG.

Bacterial peptidoglycan (PG) is a mesh like structure comprising glycan strands cross-linked by peptide stems. Since PG is a specific and essential component of bacterial cells it is an attractive and validated target for antibacterial agents. Indeed, the first antibiotic in clinical use - the β-lactam penicillin - targets the enzymes catalyzing the final transpeptidation step of PG synthesis - the Penicillin-Binding-Proteins (PBPs). A prevalent mechanism of resistance to β-lactams is the production of β-lactamases (βLs) that inactivate the drugs. A first generation of β-lactamase inhibitors (BLIs) was based on the β-lactam core followed by diazabicyclooctanes (DBOs), which entered the market in 2015 with avibactam. Emergence of mutations compromising the efficacy of DBOs prompted us to study a series of triazole-substituted DBOs that were obtained by click chemistry. The triazole ring was found to be disfavored due to the absence of a hydrogen bond connecting the carboxamide of marketed DBOs to the conserved N132 residue of βLs. However, functionalization of the triazole partially restored inhibition efficacy without impairing drug penetration. Besides the major cross-links formed by PBPs, alternative cross-links are formed by the structurally distinct l,d-transpeptidases (LDTs) mediating resistance to several β-lactams. We investigated the mechanisms of insertion of new subunits into the expanding PG mesh by developing a method based on labeling with heavy isotopes and mass spectrometry. We report the modes of PG polymerization in strains relying on PBPs and LDTs for PG cross-linking in the presence or absence of β-lactams together with the extent of PG recycling.