The Metallo-β-lactamase GOB Is a Mono-Zn(II) Enzyme with a Novel Active Site

Metallo-β-lactamases (MβLs) are zinc-dependent enzymes able to hydrolyze and inactivate most β-lactam antibiotics. The large diversity of active site structures and metal content among MβLs from different sources has limited the design of a pan-MβL inhibitor. Here we report the biochemical and biophysical characterization of a novel MβL, GOB-18, from a clinical isolate of a Gram-negative opportunistic pathogen, Elizabethkingia meningoseptica. Different spectroscopic techniques, three-dimensional modeling, and mutagenesis experiments, reveal that the Zn(II) ion is bound to Asp120, His121, His263, and a solvent molecule, i.e. in the canonical Zn2 site of dinuclear MβLs. Contrasting all other related MβLs, GOB-18 is fully active against a broad range of β-lactam substrates using a single Zn(II) ion in this site. These data further enlarge the structural diversity of MβLs

A general reaction mechanism for carbapenem hydrolysis by mononuclear and binuclear metallo-β-lactamases

Carbapenem-resistant Enterobacteriaceae threaten human health, since carbapenems are last resort drugs for infections by such organisms. Metallo-β-lactamases (MβLs) are the main mechanism of resistance against carbapenems. Clinically approved inhibitors of MBLs are currently unavailable as design has been limited by the incomplete knowledge of their mechanism. Here, we report a biochemical and biophysical study of carbapenem hydrolysis by the B1 enzymes NDM-1 and BcII in the bi-Zn(II) form, the mono-Zn(II) B2 Sfh-I and the mono-Zn(II) B3 GOB-18. These MβLs hydrolyse carbapenems via a similar mechanism, with accumulation of the same anionic intermediates. We characterize the Michaelis complex formed by mono-Zn(II) enzymes, and we identify all intermediate species, enabling us to propose a chemical mechanism for mono and binuclear MβLs. This common mechanism open avenues for rationally designed inhibitors of all MβLs, notwithstanding the profound differences between these enzymes' active site structure, β-lactam specificity and metal content.Fil: Lisa, María Natalia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; Argentina. Instituto Pasteur de Montevideo; UruguayFil: Palacios, Antonela Rocio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Aitha, Mahesh. Miami University; Estados UnidosFil: Gonzalez, Mariano Martin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Moreno, Diego Martin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; ArgentinaFil: Crowder, Michael W.. Miami University; Estados UnidosFil: Bonomo, Robert A.. Case Western Reserve University; Estados Unidos. Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center; Estados UnidosFil: Spencer, James. University Walk; Reino Unido. University of Bristol; Reino UnidoFil: Tierney, David L.. Miami University; Estados UnidosFil: Llarrull, Leticia Irene. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Química Biológica. Área Biofísica; ArgentinaFil: Vila, Alejandro Jose. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Química Biológica. Área Biofísica; Argentina. Case Western Reserve University; Estados Unido