Jeudi 5 Février

Résistance aux antibiotiques : le retour à l’ère prébiotique ?

Prof. Moreno GALLENI, Laboratoire de Macromolécules biologiques, ULg

Dr Frédéric KERFF, Centre d’Ingénierie des Protéines, ULg

Dr Sébastien RIGALI, Centre d’Ingénierie des Protéines, ULg

Avec le soutien de :

Résistance  aux  antibiotiques  :  le  retour  à  l’ère  prébiotique ?

Dr Galleni Moreno, Frédéric Kerff et Sébastien RigaliCentre  d’Ingénierie  des  Protéines,  Université  de  Liège

Rencontre Liège Créative- BioLiège, 5 février 2015

Molécules qui inhibent de manière spécifique la croissance des bactéries in vivo

Faible cytotoxicité

Les antibiotiques interfèrent avec des mécanismes essentiels à la vie des microorganismes

NO

R

OH

COOH

Péname(pénicilline) Cépheme

(céphalosporine)

MonobactameCarbapénème

N

S

COOH

R'O

O

RNH

N

SR

ONH

OCOOH

1

23

45

6

123

456

7 8

NO

O

RNH

SO3H

Vancomycine

Lincomycin

Tetracycline

Colistin

-Lactames

Bactériostatique

Bactéricide

Effet  bactériostatique  ou  bactéricide  d’antibiotique  envers  Lysteria monocytogenes (Carryn et al, AAC, 2002, 46, 2095)

Un  grand  nombre  d’antibiotiques  sont  des  métabolites  secondaires  produits par des champignons ou bactéries

Staphylococcus epidermitis

Penicillium notatum

Sir Alexander Fleming,Prix Nobel 1945

En 2005 12000 composés possédant des activités antibiotiques ont été répertoriés160  d’entre  eux  peuvent  être  utilisés  en  chimiothérapie

Champignons: Pencillium notatum , Cephalosporium species

Bactéries: Streptomyces spp6000 métabolites connus dont 80 possédant des activités antibiotiques (activités anti tumorales ou antifongiques)

Acide clavulanique, carbapénèmes, macrolides,tétracyclines, aminoglycosides, glycopeptides,  ……

Médecine humaine65 %

Médecine vétérinaire29%

Facteur de croissance 6% (786 T)

(interdit en EU depuis 2006)

8528 T

3902 T

En  EU,  13000  T  d’antibiotiques  consommés  par  an

En 60 ans, plus 1.200.000 Tonnes d’antibiotiques  déversés  dans  l’environnement

Il y a un besoin constant de nouveaux antibiotiques

Antibiotic resistance rise continuesBy James Gallagher Health editor, BBC News

Antibiotic resistance now 'global threat',WHO warns

By Pippa Stephens Health reporter, BBC News

Superbugs to kill 'more than cancer' by 2050Comments (565)

Mondialement répandues !

La  découverte  de  nouveaux  antibiotiques  s’est  ralentie

Antibiotiques en développement ciblant la synthèse de la paroi bactérienne

Consommation  d’antibiotiques  dans  les  hôpitaux  européens en 2013

Source: www.ecdc.europa.eu

Composition de la paroi bactérienne

• Bactérie à Gram + • Bactérie à Gram -

Prescott, 2007

- Enterobacteriaceae- Pseudomonas aeruginosa- Acinetobacter baumanii

- Streptococcus- Staphylococcus- Clostridium difficile

Structure du peptidoglycane

Etapes de la synthèse du peptidoglycane

Cytoplasme

Périplasme

Fructose-6-P

Glucosamine-6-P

Glucosamine-1-P

GlcNAc-1-P

UDP - GlcNAc

UDP-GlcNAc-enolpyruvate

UDP-MurNAc

UDP-MurNAc-L-Ala

UDP-MurNAc-dipeptide

UDP-MurNAc-tripeptide

UDP - MurNAc-pentapeptide

GlmS

GlmM

GlmU

GlmU

MurA

MurB

MurC

MurD

MurE

MurF

Polymerization

MraY

MurG

PBPs

acetyl-CoA

UTP

PEP

NADPH

L-Ala

D-Glu L-Glu

meso -DAP

D-Ala-D-Ala D-AlaDdl

MurI

Membranecytoplasmique

C55-PP-MurNAc-pentapeptide

C55-PP-MurNAc(pentapeptide)-GlcNAc

P

= Lipid I

= Lipid II

P

P

C55-P

Antibiotiques ciblant la synthèse du peptidoglycane

Cytoplasme

Périplasme

Fructose-6-P

Glucosamine-6-P

Glucosamine-1-P

GlcNAc-1-P

UDP - GlcNAc

UDP-GlcNAc-enolpyruvate

UDP-MurNAc

UDP-MurNAc-L-Ala

UDP-MurNAc-dipeptide

UDP-MurNAc-tripeptide

UDP - MurNAc-pentapeptide

GlmS

GlmM

GlmU

GlmU

MurA

MurB

MurC

MurD

MurE

MurF

Polymerization

MraY

MurG

PBPs

acetyl-CoA

UTP

PEP

NADPH

L-Ala

D-Glu L-Glu

meso -DAP

D-Ala-D-Ala D-AlaDdl

MurID-cycloserine

vancomycincolicin M

penicillinscephalosporinsmoenomycins

fosfomycin

Membranecytoplasmique

liposidomycinsmureidomycins

bacitracin

C55-PP-MurNAc-pentapeptide

C55-PP-MurNAc(pentapeptide)-GlcNAc

P

= Lipid I

= Lipid II

P

P

C55-P

Polymérisation du peptidoglycane par les Penicillin Binding Proteins(PBPs)

PBPs de classe A :- Activité transglycosylase (TG)- Activité transpeptidase (TP)

Sung et al, PNAS 2009

PBPs de classe B :- Activité transpeptidase (TP)

Sauvage et al, PLoS One 2014

Inhibition des PBPs par la pénicilline et PBPs de faible affinité

- Le PBP2a de S. aureus et  le  PBP5  d’E. faecium sont 2 exemples de PBPs ayant modifier leur site actif afin de devenir résistant à la pénicilline

- Clostridium difficile produit également un PBP résistant

Ceftobiprole et ceftaroline, cephalosporines de 5ième génération

Active on:Penicillin-resistant Staphylococcus aureus (production  of  β-lactamase) Methicillin-resistant S. aureus (PBP2a)Penicillin-resistant Streptococcus pneumoniae(PBP2x)EnterococciPseudomonas aeruginosaEnterobacteriaceae (even some exhibiting β-lactam-resistance by means of the production of a narrow-spectrum β-lactamases)

Ceftobiprole ceftaroline

PBP2a-ceftobiprole, Lovering et al, JBC 2012

Les  β-lactamases, principal mécanisme de résistance face aux pénicillines

β-lactamases Sérine:- Classe A, C, DInhibiteurs disponibles actif sur les classes A et C:- Acide clavulanique- Tazobactam- sulbactam

Tem-1 P99 OXA-10

IMP-1 CPHA FEZ-1

Métallo  β-lactamases:- Classe I, II, III

Pas  d’inhibiteur  disponible!!!

Avibactam, nouvel inhibiteur de β-lactamases

L’avibactam est  le  premier  inhibiteur  de  β-lactamase à ne pas posséder de noyau β-lactam à être en phase de développement clinique. Inhibiteur  réversible  d’ESBLs, de carbapenemases de classe A (e. g. KPC) et de certaines classe D (OXA-48) et de classe C de type AmpC Dévelopé en combinaison avec la ceftaroline, la ceftazidime et  l’aztreonam Ceftazidime-avibactam récemment approuvé par la FDA

Complexe CTX-M15 – avibactam

Lahiri et al, AAC 2013

Dérivés  de  l’avibactam

Spectres  d’activité  des  nouvelles  combinaisons  β-lactam/inhibiteur  de  β-lactamase

Docquier JD, personal communication

Les transglycosylases, une cible attrayante

Sung et al, PNAS 2009

PBPs de classe A (PBP1b de E. coli) Transglycosylases monofonctionnelles

(SaMtgA)

- Responsable de la synthèse des chaines de glycane

- inhibiteur connu: la moenomycin qui se lie au site donneur (pas d’utilisation  thérapeutique)

Heaslet et al., J.Struct.Biol. 209

Analogues du lipide II

Bury et al, Biochemical Pharmacology, 2015

- Premières molécules à se lier au site accepteur et liaison coopérative avec la moenomycin

- Affinité du meilleur au moins bon:62 > 44 > 43 > 21 > 61 = 57 > 56

- Existence de variants de MtgApermettant de détecter l’interactiond’inhibiteurs potentiels par fluorescence

Antibiotic Resistancelessons from environmental microbiology

Dr Sébastien RigaliCentre for Protein Engineering

University of LiègeLiège Creative February 4th 2015

Selman Waksman (1888-1973)

in the early 1900

Soil microbiology: an unfashionable pursuit

Alexander Fleming (1881-1955)Actinomycetes

(ray fungi)

Streptomyces :  ‘twisted fungi’a complex multicellular sporulating bacteria

vegetativehyphae

surface

aerialhyphae

(nutrition)

(reproduction)

ActinomycetesOther bacteriaFungi

Useful Natural compounds from Microorganisms

StreptomycinNobel prize 1952

Selman Waksman

S. cavuligerusclavulanic acid

new golden

Age

The known microbial antibiotics are the tip of an iceberg

We just picked up the low hanging fruits

The known microbial antibiotics are the tip of an iceberg

Cryptic antibiotics

M. Maciejewska, ULg, 2014A. Kelner, 1949

Streptomyces coelicolor

Actinorhodin Prodiginines

The known microbial antibiotics are the tip of an iceberg

Cryptic antibiotics

Streptomyces coelicolor

CrypticMetabolites

Rigali, Titgemeyer et al 2008

Lambert, Traxler et al 2008

in the early 1900 1990 = Not a HOT topic

Environmental Microbiology became trendy

The known microbial antibiotics are the tip of an iceberg

IF: 5.0

IF: 9.3 IF: 6.2

IF: 7.0

Novel microorganisms

Hazel BartonUniversity of Akron (USA)

The known microbial antibiotics are the tip of an iceberg

Novel microorganisms

The known microbial antibiotics are the tip of an iceberg

Novel microorganisms

The known microbial antibiotics are the tip of an iceberg

Uncultivable microorganisms

The known microbial antibiotics are the tip of an iceberg

Uncultivable microorganisms Eleftheria terrae

The known microbial antibiotics are the tip of an iceberg

We just picked up the low hanging fruits!

Cryptic antibiotics+

Novel species+

Uncultivable microorganisms

Sommes-nous  si  nostalgiques  de  l’ère  préantibiotques ?

How do antibiotic-producing microbes avoid suicide ?

All Streptomyces spp are multidrug resistant!

Sommes-nous  si  nostalgiques  de  l’ère  préantibiotques ?

Antibiotic Resistancelessons from environmental microbiology

Dr Sébastien RigaliCentre for Protein Engineering

University of LiègeLiège Creative February 4th 2015

Leaf-cutting ants(Atta/Acromyrmex octospinosus)

Fungus garden : obligate symbiosis(Leucoagaricus)

streptomycetes, nature little helpers: Ants fungus garden handfarmers

Sommes-nous  si  nostalgiques  de  l’ère  préantibiotques ?

Escovopsis

Leucoagaricus

streptomycetes, nature little helpers: Ants fungus garden handfarmers

Sommes-nous  si  nostalgiques  de  l’ère  préantibiotques ?