Description du projet

La lutte contre les maladies infectieuses est actuellement un des plus importants défis de santé publique, notamment avec l'émergence des bactéries à gram-négatif produisant carbapénèmases qui sont résistantes à la plupart des médicaments. Plus particulièrement, l'enzyme NDM-1 pandémique et d'autres métallo-beta-lactamases (MBLs) plasmidiques qui disséminent partout dans le monde dans les organismes à gram-négatif menacent de reculer l'état de la médecine dans l'ére pré-antibiotique. Les options pour le traitement des infections causés par ces "super-bogues" sont très limitées.

The fight against infectious diseases is one of the greatest public health challenges, especially with the emergence of pan-drug resistant carbapenemase-producing Gram-negative bacteria. In particular, the pandemic NDM-1 and other plasmid-borne metallo-β-lactamases (MBLs) disseminating worldwide in Gram-negative organisms threaten to take medicine back to the pre-antibiotic era as the treatment options remaining for infections caused by these “superbugs” are very limited.

L'objectif de ce projet est de combiner différentes approches complémentaires (microbiologie, biochimie, biologie structurale, modélisation moléculaire et synthèse chimique) pour mieux comprendre les relations structure-activité des MBLs et les spécificités des substrats, pour mieux déterminer les résidus clés impliqués dans la reconnaissance et l'hydrolyse des carbapénèmes, pour prédire l'impact des mutations sur le profile d'hydrolyse et pour développer un pan-inhibiteur efficace des MBLs.

The aim of the present proposal is to combine complementary approaches (microbiology, biochemistry, structural biology, molecular modelling and chemical synthesis) to gain vital insights into structure-function relationship of MBLs, in order to better understand substrate specificities, to determine key residues involved in carbapenem recognition and hydrolysis, to foresee the impact of mutations on the hydrolysis profile, and finally to develop an efficient MBL pan-inhibitor.

La caractérisation détaillée des MBLs avec un profile large d'hydrolyse et la co-cristallisation de ces enzymes avec différents ligands vont fournir des informations essentielles pour le développement d'inhibiteurs efficaces qui peuvent servir comme points de départ dans la découverte de nouvelles molécules actives. La mutagénèse dirigée sera utilisée pour confirmer le rôle des résidus clés dans le site actif des enzymes. Avec la prévalence croissante des MBLs, des nouveaux variants seront décrits, probablement avec des profiles d'hydrolyse modifiés, ce qui va fournir des informations supplementaires sur le rôle des différents résidus dans le site actif. Récemment, un nouvel inhibiteur des MBLs capable d'inhiber efficacement l'enzyme NDM-1 (avec des valeurs IC50 sub-micromolaires) a été identifié par le Partenaires 1 et 3, utilisant une approche combinée de criblage virtuel des librairies ciblées de ligands par docking et recherche pharmacophorique. Nous allons utiliser cette découverte pour la mise au point d'un pan-inhibiteurs des MBLs par deux stratégies différentes: i) l'optimisation de l'inhibiteur découvert précédemment guidée par la structure et la fonction des enzymes cible pour s'assurer de l'inhibition efficace de la plupart ou même des toutes les MBLs, en mettant à contribution les résultats obtenus dans ce projet; ii) identification de nouveaux pan-inhibiteurs des MBLs en utilisant un pharmacophore consensus qui est commun à toutes les MBLs avec une pertinence clinique.

In-depth biochemical characterization of broad-profile MBLs and co-crystallization of these enzymes with various ligands will provide crucial information for the development of efficient inhibitors that could serve as leads in drug discovery. Site-directed mutagenesis will be used to confirm the role of key amino-acid residues in the active sites of the enzymes. With the increasing prevalence of MBLs, new variants will be described, with likely modified hydrolysis properties, which will provide further information on the role of different active site residues. Recently, a novel MBL inhibitor capable of efficiently inhibiting NDM-1 (sub-micromolar IC50) was identified by Partners 1 and 3, using a combined approach of docking and pharmacophore-based virtual screening of focused ligand libraries. We will take advantage of this discovery and use two strategies to obtain an MBL pan-inhibitor: i) structure- and function-guided optimization of the previously identified inhibitor in order to ensure efficient inhibition of most or all MBLs, using the data gathered during this project; ii) identification of new pan-inhibitors of MBLs using a consensus pharmacophore common to all clinically-relevant MBLs.

Nos résultats constitueront une avancée importante dans le développement de pan-inhibiteurs des MBLs qui, utilisés en combinaison avec les β-lactamines, vont empêcher la dégradation de ces antibiotiques de type β-lactame par les MBLs.

Our results will advance the development of pan-inhibitors of MBLs that, used in combination with β-lactams, will protect the β-lactam antibiotics from degradation by these MBLs.