Chemische Synthese ergibt potenzielles Antibiotikum

Chemiker am MIT haben einen neuartigen Weg entwickelt, um Himastatin zu synthetisieren, eine natürliche Verbindung, die Potenzial als Antibiotikum gezeigt hat.

Mit ihrer neuen Synthese konnten die Forscher nicht nur Himastatin herstellen, sondern auch Varianten des Moleküls generieren, von denen einige auch antimikrobielle Aktivität zeigten. Sie entdeckten auch, dass die Verbindung Bakterien abzutöten scheint, indem sie ihre Zellmembranen zerstört. Die Forscher hoffen nun, andere Moleküle zu entwerfen, die eine noch stärkere antibiotische Aktivität haben könnten.

„Was wir jetzt tun wollen, ist, die molekularen Details darüber zu erfahren, wie es funktioniert, damit wir Strukturmotive entwerfen können, die diesen Wirkungsmechanismus besser unterstützen könnten. Ein großer Teil unserer Bemühungen besteht derzeit darin, mehr über die physikalisch-chemischen Eigenschaften davon zu erfahren Molekül und wie es mit der Membran interagiert“, sagt Mohammad Movassaghi, MIT-Professor für Chemie und einer der leitenden Autoren der Studie.

Brad Pentelute, ein MIT-Professor für Chemie, ist auch ein leitender Autor der Studie, die heute in erscheint Wissenschaft. Der MIT-Student Kyan D’Angelo ist der Hauptautor der Studie, und die Doktorandin Carly Schissel ist ebenfalls Autorin.

Die Natur nachahmen

Himastatin, das von einer Art Bodenbakterien produziert wird, wurde erstmals in den 1990er Jahren entdeckt. In Tierversuchen wurde festgestellt, dass es krebsbekämpfende Wirkung hat, aber die erforderlichen Dosen hatten toxische Nebenwirkungen. Die Verbindung zeigte auch eine potenzielle antimikrobielle Aktivität, aber dieses Potenzial wurde nicht im Detail untersucht, sagt Movassaghi.

Himastatin ist ein komplexes Molekül, das aus zwei identischen Untereinheiten besteht, die als Monomere bekannt sind und sich zu einem Dimer verbinden. Die beiden Untereinheiten sind durch eine Bindung miteinander verbunden, die einen Sechs-Kohlenstoff-Ring in einem der Monomere mit dem identischen Ring im anderen Monomer verbindet.

Diese Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung ist entscheidend für die antimikrobielle Aktivität des Moleküls. Bei früheren Versuchen, Himastatin zu synthetisieren, haben Forscher zunächst versucht, diese Bindung herzustellen, indem sie zwei einfache Untereinheiten verwendeten, und dann komplexere chemische Gruppen an die Monomere angefügt.

Das MIT-Team verfolgte einen anderen Ansatz, inspiriert von der Art und Weise, wie diese Reaktion in Bakterien abläuft, die Himastatin produzieren. Diese Bakterien verfügen über ein Enzym, das die beiden Monomere im allerletzten Schritt der Synthese verbinden kann, indem es jedes der zu verbindenden Kohlenstoffatome in hochreaktive Radikale umwandelt.

Um diesen Prozess nachzuahmen, bauten die Forscher zunächst komplexe Monomere aus Aminosäurebausteinen, unterstützt durch eine schnelle Peptidsynthese Technologie zuvor von Pentelutes Labor entwickelt.

„Durch die Verwendung der Festphasen-Peptidsynthese konnten wir viele Syntheseschritte schnell vorspulen und Bausteine ​​leicht mischen und anpassen“, sagt D’Angelo. „Das ist nur einer der Gründe, warum unsere Zusammenarbeit mit dem Pentelute Lab sehr hilfreich war.“

Die Forscher verwendeten dann eine neue Dimerisierungsstrategie, die im Movassaghi-Labor entwickelt wurde, um zwei komplexe Moleküle miteinander zu verbinden. Diese neue Dimerisierung basiert auf der Oxidation von Anilin zur Bildung von Kohlenstoffradikalen in jedem Molekül. Diese Radikale können reagieren, um die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung zu bilden, die die beiden Monomere miteinander verbindet. Mit diesem Ansatz können die Forscher Dimere herstellen, die zusätzlich zu den natürlich vorkommenden Himastatin-Dimeren verschiedene Arten von Untereinheiten enthalten.

„Der Grund, warum wir uns für diese Art der Dimerisierung begeistert haben, ist, dass man damit die Struktur wirklich diversifizieren und sehr schnell auf andere potenzielle Derivate zugreifen kann“, sagt Movassaghi.

Membranstörung

Eine der Varianten, die die Forscher erstellten, hat ein fluoreszierendes Tag, mit dem sie visualisieren konnten, wie Himastatin mit Bakterienzellen interagiert. Mithilfe dieser fluoreszierenden Sonden fanden die Forscher heraus, dass sich das Medikament in den Zellmembranen der Bakterien anreichert. Dies veranlasste sie zu der Hypothese, dass es funktioniert, indem es die Zellmembran zerstört, was auch ein Mechanismus ist, der von mindestens einem von der FDA zugelassenen Antibiotikum, Daptomycin, verwendet wird.

Die Forscher entwarfen auch mehrere andere Himastatin-Varianten, indem sie verschiedene Atome in bestimmten Teilen des Moleküls austauschten, und testeten ihre antimikrobielle Aktivität gegen sechs Bakterienstämme. Sie fanden heraus, dass einige dieser Verbindungen eine starke Aktivität aufwiesen, aber nur, wenn sie ein natürlich vorkommendes Monomer zusammen mit einem anderen enthielten.

„Indem wir zwei vollständige Hälften des Moleküls zusammenbrachten, konnten wir ein Himastatin-Derivat mit nur einer einzigen fluoreszierenden Markierung herstellen. Nur mit dieser Version konnten wir Mikroskopstudien durchführen, die Hinweise auf die Lokalisierung von Himastatin in Bakterienmembranen lieferten, da dies bei symmetrischen Versionen mit zwei Markierungen der Fall war nicht die richtige Aktivität haben“, sagt D’Angelo.

Die Forscher planen nun, weitere Varianten zu entwickeln, von denen sie hoffen, dass sie eine stärkere antibiotische Aktivität aufweisen.

„Wir haben bereits Positionen identifiziert, die wir derivatisieren können und die die Aktivität potenziell entweder beibehalten oder verstärken könnten. Was uns wirklich begeistert, ist, dass eine beträchtliche Anzahl der Derivate, auf die wir durch diesen Designprozess zugegriffen haben, ihre antimikrobielle Aktivität beibehalten“, sagt Movassaghi.