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Microbial Epimerases: A Toolbox for the Synthesis of Novel Peptide-Based Drugs

English title Microbial Epimerases: A Toolbox for the Synthesis of Novel Peptide-Based Drugs
Applicant Buller Rebecca
Number 180993
Funding scheme Bridge - Discovery
Research institution Institut für Chemie und Biologische Chemie Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Institution of higher education Zurich University of Applied Sciences - ZHAW
Main discipline Molecular Biology
Start/End 01.10.2019 - 30.09.2022
Approved amount 788'446.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Molecular Biology
Pharmacology, Pharmacy

Keywords (6)

Biocatalysis ; ESKAPE Group; Antimicrobial Peptides; Antibiotic Resistance; Bioinformatics; Enzyme Engineering

Lay Summary (German)

Lead
Die Entdeckung der Antibiotika anfangs des 20. Jahrhunderts gehört zu den bedeutendsten Entwicklungen der Medizingeschichte. Antibiotika hemmen die Vermehrung von Bakterien oder töten diese ab, womit sich die meisten bakteriellen Infektionskrankheiten behandeln lassen. Doch Bakterien sind Überlebenskünstler. Sie können Resistenzgene aufnehmen oder durch ihre ständige Vermehrung und der damit verbundenen Vervielfältigung des Erbguts Mutationen akkumulieren. Dies kann zur Folge haben, dass die Wirkung eines bestimmten Antibiotikums abgeschwächt oder gar ausgeschaltet wird. Diese so genannten Antibiotika-Resistenzen haben in den letzten Jahren stetig zugenommen. Gemäss einer vom Europäischen Zentrum für die Prävention und Kontrolle von Krankheiten (ECDC) in Auftrag gegebenen Studie, die 2018 erschien, sterben jährlich mehr als 33'000 Menschen im EU/ EAA Raum an den Folgen einer bakteriellen Infektion, die aufgrund der Antibiotika-Resistenz von Bakterien nicht mehr behandelbar ist.
Lay summary

Inhalte & Ziel des Forschungsprojekts:

Peptide, das sind aus Aminosäuren aufgebaute organisch-chemische Verbindungen, gelten als ein vielversprechender Ansatz, um das Problem der Antibiotikaresistenzen von Bakterien zu adressieren. Eine grosse Herausforderung für den Einsatz von Peptid-Therapeutika im Allgemeinen ist jedoch ihr schneller Abbau im menschlichen Körper, zum Beispiel durch Proteasen. Durch Modifizierung der Peptide kann dieser Abbauprozess aber stark verlangsamt werden. Der Fokus dieser Forschungsarbeit liegt darin, eine Enzymplattform aufzubauen, die es erlaubt, Peptide zu verändern und so für ihre Anwendung zu optimieren. Die hierzu verwendeten Enzyme sollen durch bioinformatische Ansätze identifiziert und durch Methoden der gerichteten Evolution diversifiziert werden. Durch Einsatz des so aufgebauten biokatalytischen Werkzeugkastens sollen neue Peptidwirkstoffe entstehen, die dann auf ihre mögliche Wirksamkeit gegen multi-resistente Bakterienstämme getestet werden.

 

Wissenschaftlicher & gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts:

Unsere Arbeit hat zum Ziel, optimierte Peptid-basierte Wirkstoffe zu generieren und auf ihre mögliche Wirksamkeit gegen multi-resistente Bakterien zu überprüfen. Die Ergebnisse können dazu beitragen, die Verbreitung multiresistenter Erreger, die in den letzten Jahren stetig zugenommen hat, zu bekämpfen. 

Direct link to Lay Summary Last update: 03.05.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

25,000 deaths in the European Union alone are estimated to be caused by drug-resistant bacteria every year. In addition to the increased suffering it causes, antimicrobial resistance has huge economic implications. Multidrug-resistant bacteria have been connected to an economic loss of more than US $ 4 billion each year, some predictions even estimate global costs that range between US$ 2.1 trillion and US$ 124.5 trillion by 2050 in the absence of any progress tackling the challenge. These numbers justify a large financial investment to push innovation in research and development for the discovery of antimicrobial medicines, vaccines and diagnostic tools. Modified short peptide antibiotics are recognized as promising candidates to address antimicrobial resistance. Antimicrobial peptides are potent, broad-spectrum antibiotics functioning via a combination of different antimicrobial mechanisms. However, a major challenge for peptide therapeutics in general is their fast degradation, usually by proteases, which can be greatly slowed down via introduction of D-amino acids. Furthermore, the introduction of D-amino acids offers a means to expand the compound diversity within this class of antimicrobial drugs. Biosynthesis of D-amino acid-containing natural products has long been thought to be mostly carried out via non-ribosomal peptide synthethases. Recently, the enzyme superfamily of radical SAM epimerases has been recognized to be capable of converting a “normal”, all L peptide into its D-amino acid containing counterpart. This way, multiple epimerizations can be produced by a single enzyme, avoiding utilization of multiple peptide synthethases. The large number of known peptide natural products constitutes only a fraction of the diversity present in nature. Accordingly, the described epimerases are only the tip of the iceberg and many more are expected to be present in nature. To identify new rSAM epimerases the Interfaculty Bioinformatics Unit, University of Bern, and the Competence Center for Biocatalysis, ZHAW, initiated a screening of metagenomic databases and repositories that comprise diverse data from many different sources like ocean sampling expeditions, human microbiomes, as well as soil, grassland and freshwater studies. Our screening has identified a set of novel epimerases and implies a multitude of undiscovered variants. Thus, we will expand our bioinformatic search using data from whole genome sequencing, whole transcriptome sequencing and assembled genome/transcriptome data. In this way, we will supplement our existing portfolio of active epimerization biocatalysts with members from the newly identified genes and build a comprehensive epimerase toolbox by recombinantly expressing and engineering novel members of this superfamily. Having developed a MS/MS based in vitro assay at the ZHAW to verify epimerase activity, we are well equipped to combine sets of different epimerases with a library of native or synthetic peptide substrates in a combinatorial fashion: In this way we can match the newly identified epimerases with many different natural and synthetic peptides thus multiplying the accessible diversity. Our research will provide a new platform to generate extensively modified peptides to be tested for their antibiotic capability.The Institute of Veterinary Bacteriology, University of Bern, will test the antibiotic activity by the measurement of the minimal inhibitory concentration (MIC) of our microbiome-derived peptide library against pathogens of the ESKAPE group (Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa and Enterobacter sp. Both antibiotic susceptible and multidrug resistant strains will be tested including meticillin-resistant S. aureus, vancomycin-resistant Enterococcus faecium and carbapenem and colistin-resistant Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa and Enterobacter sp. Once a peptide with improved properties has been identified through our drug discovery platform, it can be synthesized via chemical means for the industrial scale. Overall, our project paves the way to translate the hidden biocatalytic potential of the microbiome into an innovative platform for drug discovery with the focus on novel antibiotics. It bridges the gap between academic research and industrial development by providing a new drug discovery and synthesis tool for the pharmaceutical industry thus underscoring Switzerland’s importance as an R&D innovation hub and production site.
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