Investigation of new pantothenate derivatives to combat the antimicrobial crisis

Abstract

Antimicrobial resistance has been an increasing public health threat in the world, due to the rapid evolution and gene transfers by microbes. Various efforts have been taken to combat antimicrobial resistance, spanning from a drive to identify unexploited antimicrobial targets to a renewed push for novel antimicrobial agents. Coenzyme A (CoA) is an essential cofactor for all living organisms. It is generally biosynthesized in five universal enzymatic steps. Although this five-step pathway is conserved in various organisms, the involved enzymes differ significantly between organisms. Therefore, focusing on the CoA biosynthetic pathway, this thesis exploits three strategies that have potential to overcome antimicrobial resistance. The first strategy used is to revisit an old, unexploited class of antimicrobials: pantothenamides, which are secondary or tertiary amides of pantothenic acid. This class of compounds exerts antimicrobial activity via a new mode of action, interfering the CoA-related pathway. Despite their interesting antimicrobial activity, their clinical use is however hindered due to their instability in human serum. To address the instability issue of pantothenamides, in chapter 2, a cross-metathesis approach to install larger groups at the geminal dimethyl position of pantothenamides was successfully developed, and was demonstrated to be an effective way to impart stability to pantothenamides in human serum. In chapter 3 and 4, a pantothenamide analogue which has the labile amide bond replaced with a stable triazole ring, was used to design a series of new pantothenamide derivatives. Overall, three new nanomolar antiplasmodial heteroaromatic pantothenamide analogues were discovered. The results also revealed a new way by which triazoles mimic amide bonds.The second strategy seeks novel antimicrobial targets. Pantothenate kinase (PanK), which catalyzes the phosphorylation of pantothenate to 4’-phosphopantothenate, is the first enzyme in the CoA biosynthetic pathway. It can be classified into three types (type I, II and III). Several inhibitors and alternative substrates have been reported for type I and II, whereas only weak inhibitors have been reported for type III. To design better inhibitors and substrates for not only type I and II PanK but also type III PanK, a small series of pantothenate analogues were synthesized in chapter 5. They were exploited as probes to compare the ligand preference of the three types of bacterial PanK. Overall, several new inhibitors and substrates were identified for each type of bacterial PanK. The third strategy involves reactivating old antibiotics. Effectiveness of aminoglycosides can be reduced towards bacteria after being acetylated by an aminoglycoside acetyltransferase. As an aminoglycoside potentiator, P-1b can effectively restore the effectiveness of aminoglycosides towards resistant bacteria. P-1b was suggested to exert its potentiating effect after being transformed by the CoA biosynthetic pathway to a CoA derivative which inhibits the acetyltransferase in resistant bacteria. To better understand the mechanism of action of P-1b, a series of in cellulo studies was performed and reported in chapter 6. The results revealed a new acetyltransferase inhibitor, and suggested that P-1b may be transformed into more than one acetyltransferase inhibitors in bacteria.La résistance aux antimicrobiennes est devenue une menace majeure à la santé publique mondiale, due à l’évolution rapide des microbes et aux transferts de gènes qu’ils effectuent. Des efforts variés ont été effectués pour combattre la résistance bactérienne, allant d’une volonté d’identifier des cibles antibactériennes inexploitées à un effort renouvelé pour le développement de nouveaux agents antibactériens. Le coenzyme A (CoA) est un cofacteur essentiel à tout organisme vivant. Il est généralement biosynthétisé par cinq étapes enzymatiques universelles. Bien que cette cascade de cinq étapes soit conservée, les enzymes impliquées diffèrent de manière significative d’un organisme à l’autre. En conséquence, en se concentrant sur le chemin de biosynthèse du CoA, cette thèse exploite trois stratégies présentant un potentiel pour vaincre la résistance microbienne.La première stratégie utilisée consiste à revisiter une ancienne classe d’antimicrobiennes non exploitée, des amines secondaires et tertiaires de l’acide pantothénique. Cette classe de composés exerce une activité antimicrobienne par un nouveau mode d’action qui interfère avec la voie de synthèse du CoA. En dépit de leur activité antibactérienne intéressante, leur utilisation clinique est empêchée par leur instabilité dans le sérum humain. Afin de remédier à ce problème d’instabilité des pantothénamides, une approche reposant sur la métathèse croisée a été développée avec succès, dans le chapitre 2, qui installe des groupes encombrants à la position diméthyl géminale des pantothénamides, et qui a fait montre d’efficacité dans la stabilisation de pantothénamides dans le sérum humain. Dans les chapitres 3 et 4, un analogue de pantothénamide, dans lequel la liaison amide labile a été remplacée par un cycle triazole stable, a été utilisé pour concevoir une série de nouveaux pantothénamides. Dans l’ensemble, trois nouveaux analogues hétéroaromatiques de pantothénamides possédant une activité anti-plasmodiale au niveau nanomolaire ont été découverts. Les résultats ont également révélé une nouvelle façon qu’ont les triazoles de mimer les liaisons amides.La deuxième stratégie identifie de nouvelles cibles antimicrobiennes. La pantothénate kinase (PanK), qui catalyse la phosphorylation du pantothénate en 4’-phosphopantothénate, est la première enzyme du chemin biosynthétique du CoA. Elle peut être classifiée en trois types (types I, II et III). Plusieurs inhibiteurs et substrats alternatifs ont été reportés pour les types I et II, tandis que seulement de faibles inhibiteurs ont été reportés pour le type III. Afin de concevoir de meilleurs inhibiteurs et substrats pour les PanK, non seulement de type I et II mais également III, une courte série d’analogues du pantothénate ont été synthétisées dans le chapitre 5. Ils ont été utilisés en tant que sondes pour comparer les ligands préférentiels des trois types de PanK. Dans l’ensemble, plusieurs nouveaux inhibiteurs et substrats ont été identifiés pour chaque type de PanK. La troisième stratégie implique la réactivation de vieux antibiotiques. L’efficacité des aminoglycosides contre les bactéries peut être réduite par leur acétylation par une aminoglycoside transférase. En tant que potentiateur d’aminoglycoside, P-1b peut rendre leur efficacité aux aminoglycosides à l’encontre des bactéries résistantes. Il a été suggéré que P-1b exerce une action de potentiation après avoir été transformé par le chemin de synthèse du CoA en un dérivé de CoA qui inhibe l’acétyltransférase des bactéries résistantes. Dans le but de mieux comprendre le mécanisme d’action de P-1b, une série d’études in cellulo ont été effectuées et rapportées dans le chapitre 6. Les résultats ont révélé un nouvel inhibiteur d’acétyltransférase et ont suggéré que P-1b est possiblement transformé en plus d’une forme d’inhibiteur d’acétyltransférase au sein des bactéries