Dottorato in BIOLOGIA CELLULARE E DELLO SVILUPPO

Titolo della tesi: Investigation and evaluation as drug targets of LPS modifications in Pseudomonas aeruginosa

The outer membrane of Gram-negative bacteria is an asymmetric bilayer composed of lipopolysaccharide (LPS) and phospholipids and represents an efficient permeability barrier to the entry of many toxic compounds, including antibiotics. The molecular characterization of the outer membrane is essential to understand how antibiotics can counteract and possibly penetrate this barrier, thus providing valuable information for the development of new therapeutic strategies and/or for the rational design of drugs specifically active against multidrug resistant Gram-negatives. Pseudomonas aeruginosa is one of the most dreaded opportunistic human pathogens and is also the main cause of mortality in cystic fibrosis patients. The spread of antibiotic resistance strains of P. aeruginosa has prompted the medical community to reintroduce in the clinical practice the old antibiotic colistin. Colistin activity relies on the interaction with the anionic lipid A moiety of LPS, leading to the displacement of the LPS-stabilizing cations Ca2+ and Mg2+; this causes derangement of the outer membrane and cell death. The reintroduction of colistin has inevitably led to the emergence and spread of colistin-resistant P. aeruginosa isolates. In this bacterium, colistin resistance is generally associated with the overexpression of the arn operon, which encodes for the enzyme responsible of the addition of the positively charged residue 4-amino-4-deoxy-L-arabinose (L-Ara4N) to lipid A, that reduces the affinity of colistin for LPS. In this PhD thesis, the specific contribution of two different P. aeruginosa LPS modifications, i.e. the hydroxylation of the lipid A acyl chains and the aminoarabinosylation of lipid A phosphate groups, to drug resistance, cell envelope integrity and bacterial fitness has been characterized. Moreover, a docking-based virtual screening has been performed to identify inhibitors of ArnT, the enzyme responsible for the last step of lipid A aminoarabinosylation. The hit compound, named BBN149, has been validated in vitro as a colistin adjuvant against P. aeruginosa and Klebsiella pneumoniae colistin-resistant isolates. Moreover, the synthesis and testing of some semisynthetic analogues of BBN149 have allowed to identify the structural and functional features of the lead compound that are important for its colistin adjuvant activity. La parete esterna dei batteri Gram-negativi è un doppio strato asimmetrico costituito dal lipopolisaccaride (LPS) e da fosfolipidi, e rappresenta una barriera permeabile che impedisce l’entrata di composti tossici, inclusi gli antibiotici. La caratterizzazione molecolare della membrana esterna è fondamentale per capire come gli antibiotici interagiscano con essa, e fornisce le informazioni utili allo sviluppo di strategie terapeutiche e antibiotici attivi, specifici per batteri Gram-negativi antibiotico-resistenti. Pseudomonas aeruginosa è uno fra i patogeni opportunisti più temuti per l’uomo, ed è anche la principale causa di morte nei pazienti affetti da fibrosi cistica. La diffusione di ceppi antibiotico-resistenti di P. aeruginosa ha spinto la comunità medica a reintrodurre nella pratica clinica la colistina, un antibiotico che interagisce con la frazione anionica del lipide A del LPS, facendo sì che Ca2+ e Mg2+ che lo stabilizzano, vengano estrusi, causando lo squilibrio della membrana esterna e la morte cellulare. La reintroduzione della colistina ha permesso la comparsa e la diffusione di isolati di P. aeruginosa resistenti all’antibiotico. Il meccanismo di resistenza è generalmente associato alla sovra-espressione dell’operone arn, il quale codifica l’enzima responsabile dell’aggiunta di un residuo 4-amino-4-deossi-L-arabinosio (L-Ara4N) al lipide A, che riduce l’affinità della colistina al LPS. In questa tesi di dottorato, è stato caratterizzato il contributo specifico nella resistenza agli antibiotici, integrità dell’involucro cellulare e fitness batterica, di due differenti modifiche del LPS, ovvero l’idrossilazione delle catene aciliche e l’aminoarabinosilazione dei gruppi fosfato del lipide A in P. aeruginosa. Inoltre, è stato effettuato uno screening virtuale “docking-based”, per identificare composti inibitori di ArnT, l’enzima responsabile dell’ultimo step dell’aminoarabinosilazione del lipide A. Tramite saggi in vitro in ceppi colistina-resistenti di P. aeruginosa e Klebsiella Pneumoniae, il composto scelto, BBN149, è stato identificato come adiuvante della colistina. In ultimo, la sintesi e la sperimentazione di alcuni analoghi semisintetici di BBN149 hanno permesso di identificare le caratteristiche strutturali e funzionali del composto guida, rilevanti per la sua attività adiuvante alla colistina.