Chemical Synthesis of Fluorescent Lugdunins for Mode-Of-Action Studies as well as Strategical Derivatization for Structure-Activity-Relationship Studies

Abstract

Lugdunin is a novel antibiotic initially discovered in the human nose and extracted from Staphylococcus lugdunensis. It is a non-ribosomally synthesized cyclic peptide consisting of seven amino acids with alternating stereo-chemistry. The amino acids valine and cysteine are linked via an intramolecular thiazolidine formation. The cyclized peptide exhibits micromolar activity (3 μM) against Gram-positive bacteria such as methicillin-resistant Staphylococcus aureus as well as resistant Enterococcus faecium. After fundamental stereo- and alanine-scan derivatives were synthesized, more extensive structure-activity-relationship (SAR) studies were carried out, replacing the amino acids at positions two, three and four. In total, hundreds of lugdunin derivatives were synthesized and evaluated, however only 6-tryptophan-lugdunin displayed higher antimicrobial activity in in-vitro assay Staphylococcus assays compared to natural lugdunin. In addition, the SAR-study aimed towards a fluorescent lugdunin proved to be successful with pyrenylalanine-lugdunin being highly active as well as fluorescent under excitation at 342 nm wavelength and emission at 375 nm wavelength. A wide variety of lugdunin-derivatives from chemical synthesis, as well as more complex deviations from the natural compound, were synthesized and sets of compounds were evaluated for distinct applications. These tasks included, but are not limited to, assays for antibacterial activity (Gram-positive and Gram-negative), antiviral potency, membrane-permeation and ion exchange kinetics assays. Additionally, lugdunin and its derivatives were evaluated for their physicochemical character in solvents, concentrations and charge. All in all, it is shown that lugdunin is a very potent compound with highly antibacterial activity across a wide range of derivatives. In addition to that, lugdunin also possesses antimicrobial activity against various viruses and bacteria. With two different synthetic routes available, a potential upscaling for industrial use as well as more strategic derivatization (e.g. focus on hydrophilicity or crystallization properties) is readily available. The available fluorescent derivatives (mg scale as pure compound) also enable more in-depth visualization experiments in order to fully elucidate the mode-of-action. More complex structural deviations of lugdunin were also studied with interesting results, however more extensive research is needed in order to develop the next class of antibiotic in the combat against antimicrobial resistance.

Lugdunin ist ein neues Antibiotikum aus der menschlichen Nase, das aus Staphylococcus lugdunensis gewonnen wird. Es ist ein nicht-ribosomal synthetisiertes zyklisches Peptid, das aus sieben Aminosäuren mit einer alternierenden Stereochemie besteht. Die Aminosäuren Valin und Cystein sind über eine intramolekulare Thiazolidinbildung miteinander verbunden. Das zyklische Peptid weist eine mikromolare Aktivität (3 μM) gegen grampositive Bakterien wie Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus sowie resistenten Enterococcus faecium auf. Nach der Synthese grundlegender Stereo- und Alanin-Scan-Derivate wurden umfangreichere Struktur-Aktivitäts-Beziehungen (SAR) untersucht, wo-bei die Aminosäuren an den Positionen zwei, drei und vier ersetzt wurden. Insgesamt wurden Hunderte von Lugdunin-Derivaten synthetisiert und bewertet, wobei nur 6-Tryptophan-Lugdunin im Vergleich zu natürlichem Lugdunin eine höhere antimikrobielle Aktivität in In-vitro-Tests mit Staphylococcus zeigte. Darüber hinaus erwies sich die SAR-Studie, die auf ein fluoreszierendes Lugdunin abzielte, als erfolgreich, wobei das Pyrenylalanin-Lugdunin sowohl hochaktiv als auch fluoreszierend bei einer Anregungswellenlänge von 342 nm und einer Emissionswellenlänge von 375 nm war. Es wurde eine breite Palette von Lugdunin-Derivaten aus chemischer Synthese sowie komplexere Abweichungen von der natürlichen Verbindung synthetisiert und eine Reihe von Verbindungen für verschiedene Anwendungen hergestellt. Zu diesen Aufgaben gehörten unter anderem Tests zur antibakteriellen Aktivität (Gram-positiv und Gram-negativ), zur antiviralen Potenz, zur Membranpermeation und zur Ionenaustauschkinetik. Außerdem wurden Lugdunin und seine Derivate auf ihre physikochemischen Eigenschaften in verschiedenen Lösungsmitteln, Konzentrationen und Ladungen untersucht. Alles in allem zeigt sich, dass Lugdunin eine sehr potente Verbindung mit hoher antibakterieller Aktivität in einem breiten Spektrum von Derivaten ist. Darüber hinaus besitzt Lugdunin auch eine antimikrobielle Aktivität ge-gen verschiedene Viren und Bakterien. Da zwei verschiedene Synthesewege zur Verfügung stehen, ist ein potenzielles Upscaling für die industrielle Nutzung sowie eine strategischere Derivatisierung (z. B. mit Fokus auf Hydrophilie oder Kristallisationseigenschaften) ohne weiteres möglich. Die verfügbaren fluoreszierenden Derivate (im mg-Maßstab als reine Verbindung) ermöglichen eingehendere Visualisierungsexperimente, um die Wirkungsweise vollständig aufzuklären. Auch komplexere Strukturabweichungen von Lugdunin wurden mit interessanten Ergebnissen untersucht, doch sind noch umfangreichere Forschungsarbeiten erforderlich, um die nächste Klasse von Antibiotika im Kampf gegen die antimikrobielle Resistenz zu entwickeln.