Design rationnel et évaluation de prodrogues spécifiquement activées par les bêta-lactamases des bactéries pathogènes.

Rational design and evaluation of prodrugs specifically activated by pathogenic bacterias' beta-lactamases.

• Auteur / Autrice : Quentin Herail
• Direction : Michel Arthur
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Microbiologie et immunologie
• Date : Inscription en doctorat le 10/10/2022
• 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
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Structures bactériennes impliquées dans la modulation de la résistance aux antibiotiques

Mots clés

Mots clés libres

Beta-lactamases

Beta-lactamine

Prodrogues

Beta-lactamases

Beta-lactams

Pro-drugs

Résumé

La disponibilité et l'efficacité des antibiotiques sont essentielles au développement de la médecine moderne et sont menacées par le développement de la résistance aux antibiotiques en raison de la surutilisation, du sous-investissement et du manque d'innovation dans ce domaine. Les principales priorités définies par l'OMS pour le développement de nouveaux antibiotiques comprennent les entérobactéries résistantes aux céphalosporines de troisième génération et les souches de Pseudomonas aeruginosa et d'Acinetobacter baumannii résistantes aux carbapénèmes. La réduction de l'intensité de la pression de sélection des antibiotiques est également une priorité. Le laboratoire hôte propose de répondre à ces deux priorités en développant des antibiotiques à spectre étroit, sélectivement actifs sur les pathogènes critiques définis par l'OMS. L'idée du projet est de concevoir des prodrogues qui seront sélectivement activées par les β-lactamases particulières produites par les pathogènes critiques. Pour ce faire, deux β -lactamines seront combinées au sein d'une même molécule afin d'obtenir des prodrogues sans activité intrinsèque. L'hydrolyse d'une β-lactamine sacrificielle libérera une β-lactamine active (''ogive'') uniquement dans le périplasme des pathogènes critiques de l'OMS, ce qui permettra d'obtenir une prodrogue sélectivement active. Deux équipes d'experts en chimie étudieront les β-lactamines existantes et leurs voies de synthèse afin de concevoir des pro-drogue appropriés et des liens clivables pour une activation sélective par des β-lactamases spécifiques. La thèse se concentrera sur l'évaluation biologique de ces prodrogues en termes d'activité antibactérienne, de pénétration de la membrane et d'hydrolyse par les β-lactamases. Ceci sera appliqué non seulement aux β-lactamases bien caractérisées des pathogènes prioritaires mais aussi aux β-lactamases produites par les membres de la flore commensale. Ces dernières enzymes n'ont été que potentiellement identifiées sur la base d'analyses du métagénome et ne sont pour la plupart pas caractérisées d'un point de vue fonctionnel. L'étudiant concevra des gènes synthétiques avec une utilisation optimisée des codons permettant la production d'enzymes dans Escherichia coli pour (i) la purification et la détermination des profils de substrat et d'inhibiteur et (ii) l'adressage au périplasme d'E. coli par le système TAT pour des analyses phénotypiques. Une collaboration avec S Kennedy (Institut Pasteur) est établie pour (i) affiner les analyses métagénomiques en parallèle à la caractérisation fonctionnelle des β-lactamases des bactéries commensales et (ii) concevoir un test sur souris pour étudier l'impact des médicaments et des prodrogues sur la flore commensale. En parallèle, l'étudiant cristallisera les β-lactamases avec les β-lactamines, les inhibiteurs de β- lactamases et les prodrogues existants pour aider à la conception rationnelle de prodrogues sélectivement actives sur les pathogènes prioritaires. Cette partie du projet sera réalisée avec une équipe spécialisée en modélisation (M Miteva, Université de Paris-INSERM) et en biologie structurale (H van Tilbeurgh, Université Paris Saclay-CNRS).

The availability and effectiveness of antibiotics is critical for the development of modern medicine and is threatened by the development of antibiotic resistance due to overuse, underinvestment, and lack of innovation in the field. Key priorities defined by the WHO for the development of new antibiotics include third-generation cephalosporin-resistant enterobacteria and carbapenem-resistant strains of Pseudomonas aeruginosa and Acinetobacter baumannii. Reducing the intensity of the antibiotic selection pressure is also a priority. The host laboratory proposes to address these two priorities by developing narrow spectrum antibiotics selectively active on the WHO-defined critical pathogens. The idea of the project is to design prodrugs that will be selectively activated by the peculiar β-lactamases produced by the critical pathogens. For this purpose, two β -lactam antibiotics will be combined within the same molecule to obtain prodrugs with no intrinsic activity. Hydrolysis of a sacrificial β-lactam will liberate an active β-lactam (“warhead”) only in the periplasm of the WHO critical pathogens thereby achieving selectivity and activity. Two expert chemistry teams will investigate existing β-lactams and their synthesis pathways to conceive appropriate prodrug β-lactams and cleavable links for selective activation by specific β-lactamases. The PhD thesis will focus on the biological evaluation of these prodrugs both in terms of antibacterial activity, penetration, and hydrolysis by β-lactamases. This will be applied not only to the well characterized β-lactamases of the priority pathogens but also to β-lactamases produced by members of the commensal flora. The latter enzymes have only been potentially identified based on metagenome analyses and are mostly not characterized at the functional level. The student will design synthetic genes with optimized codon usage enabling enzyme production in Escherichia coli for (i) purification and determination of the substrate and inhibitor profiles and (ii) addressing to the E. coli periplasm by the TAT system for phenotypic analyses. A collaboration with S Kennedy (Institut Pasteur) is established to (i) refine metagenomics analyses in parallel to functional characterization of the β-lactamases from commensal bacteria and (ii) design a mouse assay to investigate the impact of drugs and prodrugs on the commensal flora. In parallel, the student will crystallize the β-lactamases with existing β-lactams, β- lactamases inhibitors, and prodrugs to assist in the rational design of prodrugs selectively active on the priority pathogens. This part of the project will be performed with a team specialized in modeling (M Miteva, University of Paris-INSERM) and structural biology (H van Tilbeurgh, University Paris Saclay-CNRS).