Chartering chemical space of riboswitch ligands - towards future antibiotics

Verden står overfor en antibiotikakrise som skyldes fremveksten av bakterier som er resistente mot de ulike typene antibiotika som finnes i dag. Omfanget av infeksjoner som er forårsaket av multiresistente bakterier og som er vanskelig eller umulig å behandle har økt dramatisk i de senere år. For å sikre verdens befolkning effektive behandlingsalternativer mot infeksjonssykdommer er det stort behov for nye antibiotika, fortrinnsvis antibiotika som er basert på nye stoffklasser slik at utvikling av resistens kan unngås. Et nytt og lovende angrepspunkt hos bakterier som kan utnyttes for utvikling av fremtidens antibiotika er såkalte riboswitches eller ribobrytere. Dette er regulatorirske domener på ribonukleinsyrer (RNA) hos bakterier som virker som genetiske brytere. Dette betyr at det er mulig å slå av uttrykkingen av essensielle gener slik at bakterien dør. Ved å utnytte disse bryterne på bakteriens RNA kan nye antibiotika som har forskjellig virkemåte sammenlignet med dagens antibiotika utvikles. I dette prosjektet ønsker vi å utvikle nye ligander for to spesifikke ribobrytere, nemlig flavinmononukleotidet (FMN) og S-adenosylmetionin (SAM) -I ribobryteren. Dette vil tillate oss å utforske om de virkelig er så gode mål for nye antibiotika som foreslått. Hvis dette er tilfelle, vil forbindelsene også tjene som utgangspunkt for utviklingen av neste generasjon antibiotika. Som grunnlag for dette prosjektet har vi etablert en robust prosedyre for å transkribere FMN- og SAM-I- ribobryterne in vitro og for å merke ribobryterne som kreves for påfølgende bindingsanalyser. Det har blitt brukt mye tid på å utvikle en robust og sensitiv bindingsanalyse for å måle binding til ribobrytere, og denne prosessen viser seg å være mye mer vanskelig enn forventet. Men dette målet ble endelig oppnådd slik at en rekke forbindelser kan nå karakteriseres. Videre har vi satt opp en in vitro transkripsjon / translasjonsanalyse som en alternativ måte å bestemme binding til ribobrytere. Videre er syntetiske ruter for seks forskjellige sammensatte serier for FMN riboswitch utviklet og en rekke analoger er syntetisert. Biologisk evaluering av forbindelsene pågår.

In terms of drug discovery, the RNA field is much less advanced than the protein field and tools and assays are much less established. We therefore expect that the developed robust SPR assay will be highly beneficial to push drug discovery for RNA forward, not only for the FMN riboswitch but also for other targets. Likewise, very little is known about SAR of RNA ligands. The insights gained from dissecting ribocil (once the final compounds have been characterized) will there very valuable to increase our understanding about what drives affinity for RNA ligands. This will help to design FMN riboswitch ligands with high affinity, but also more general for RNA binders.

There is an urgent need for new antibiotics. Potential targets for antibiotics are riboswitches. Riboswitches are noncoding RNAs that function as genetic switches in bacteria. It has been demonstrated that some compounds with antibiotic activity act by riboswitch binding. This makes riboswitches promising targets for antibiotics with a new mechanism of action. However, rigorous exploration of the chemical space of riboswitch ligands and chemical validation are urgently needed to drive this field forward and to open it up for drug discovery. Therefore, we will use structure-based methods such as virtual and fragment screening to derive new ligands for two riboswitches that were found in pathogenic bacteria and either shown or predicted to regulate the expression of essential genes, namely the flavin mononucleotide (FMN) and S-adenosyl methionine (SAM)-I riboswitches. Discovered hit compounds will be thoroughly validated. We will follow up with structure-based ligand optimization and in vitro and in vivo mode of action studies with the goal to explore the chemical space of riboswitch ligands and to chemically validate riboswitches as drug targets. If riboswitches meet the high expectations, this project will also deliver starting points for the development of antibiotics with a new mode of action which are highly desired to prevent a looming antibiotic crisis.