Thèse (M.Sc.) -- Université Laval, 1997. / Bibliogr.: f. 63-71. Publ. aussi en version électronique.

L'objectif de ce travail est d'introduire, par ingénierie génétique, un site allostérique dans une enzyme pour moduler son activité catalytique par la liaison d'un ligand choisi. Ces enzymes pourraient servir de senseurs moléculaires pour la détection, voire le dosage du ligand. Nous avons décidé de créer ces sites allostériques dans la beta-lactamase TEM-1 d'E. coli, une enzyme dégradant les antibiotiques de type pénicilline, en réalisant l'ingénierie de trois boucles de l'enzyme. Celles-ci sont proches l'une de l'autre dans l'espace et pourraient servir d'épitope discontinu pour la reconnaissance par un anticorps ou de paratope, à savoir le site de liaison d'un anticorps, pour la reconnaissance d'autres protéines ou de petites molécules. Notre hypothèse de travail est que ces beta-lactamases chimériques partageront certaines similitudes avec les anticorps de camélidés dont le site de reconnaissance n'est constitué que de trois boucles. Comme nous ne savions pas a priori quelles sont les séquences à introduire pour lier la molécule cible, nous avons introduit des séquences dégénérées pour créer une grande banque de mutants et sélectionner dans cette banque les clones ayant une affinité pour le ligand d'intérêt. La partie la plus difficile de ce projet fut la création de la collection d'enzymes mutantes contenant trois boucles dégénérées. La dégénérescence de la boucle 1, située à proximité du site actif, a été réalisée en remplaçant aléatoirement trois résidus. Dans la boucle 2, un peptide aléatoire de cinq, six ou sept résidus a été inséré entre deux cystéines et dans la boucle 3, une insertion de six résidus aléatoires a été réalisée. En pratique, l'ingénierie des boucles 1 et 2 a été effectuée dans la même construction pour créer trois banques (trois tailles d'insert différentes dans la boucle 2). D'autre part, nous disposions déjà de la banque contenant l'insertion dans la boucle 3. Ces banques de première génération ont ensuite subit une sélection in vivo pour ne garder que les clones possédant une certaine activité catalytique, par culture des bactéries infectées sur un milieu contenant de l'ampicilline. Cette étape nous a permis d'avoir un contrôle sur la qualité des banques créées car tous les mutants d'insertions retenus ont obligatoirement une structure tertiaire. Nous avons également montré que la présence de deux résidus cystéines est nécessaire de part et d'autre de l'insert dans la boucle 2 pour maintenir une certaine activité enzymatique. D'autre part, la boucle 1 ne semble pas tolérer d'insertion peptidique et ne permet que la mutagenèse par remplacement. Les banques de première génération ont ensuite été combinées pour créer une banque de seconde génération contenant les trois boucles dégénérées. Cette construction hiérarchisée a permis, avec un bon rendement, la création d'une banque combinatoire de grande taille et de bonne qualité. Grâce à la technique d'expression en surface de phage, cette banque a ensuite été soumise à une sélection in vitro afin d'isoler les clones ayant acquis de l'affinité pour des molécules cibles. Ces ligands sont un ion métallique, le Ni(II), et deux petites molécules organiques, la kanamycine et la sulfanilamide, pour lesquelles une protéine liante serait intéressante comme outil de détection. En ce qui concerne les clones sélectionnés avec le nickel, tous les clones testés contiennent des résidus histidine et montrent une modulation de l'activité en présence du métal, que ce soit une activation ou une inhibition de celle-ci. La meilleure activation a été obtenue pour le clone Ni-5-Amp20-#11, qui voit son activité doublée lorsqu'il est complexé au nickel, tandis que la meilleure inhibition a été obtenue pour le clone Ni-5-#2 avec une diminution de 77 % de l'activité. Quant à la meilleure affinité, elle a été obtenue pour le clone Ni-5-#12 avec une constante de dissociation de 7.10-5 M. Les autres valeurs de Kd varient entre 10-4 M et 10-3 M. Parmi les clones issus de la sélection avec la kanamycine, nous avons trouvé un mutant dont l'activité catalytique est augmentée de 44 % en présence du ligand. Sa constante de dissociation est de 6,6.10-4 M. Quant à la sélection avec la sulfanilamide, elle ne nous a pas permis à ce jour d'isoler des clones ayant acquis une affinité détectable pour cette molécule. Ces résultats nous laissent espérer que la banque construite contient potentiellement des clones ayant la capacité de lier une variété de cibles différentes. Si c'est le cas, ces enzymes chimériques possèdent des avantages sur les anticorps conjugués habituellement utilisés en immuno-détection, car la fonction de reconnaissance et la fonction enzymatique sont portées par la même molécule. Ces protéines pourraient donc être produites facilement et à plus faible coût. De plus, la modulation d'activité permet en principe de détecter la présence du ligand cible en phase homogène.

L'objectif de ce travail est d'introduire, par ingénierie génétique, un site allostérique dans une enzyme pour moduler son activité catalytique par la liaison d'un ligand choisi. Ces enzymes pourraient servir de senseurs moléculaires pour la détection, voire le dosage du ligand. Nous avons décidé de créer ces sites allostériques dans la beta-lactamase TEM-1 d'E. coli, une enzyme dégradant les antibiotiques de type pénicilline, en réalisant l'ingénierie de trois boucles de l'enzyme. Celles-ci sont proches l'une de l'autre dans l'espace et pourraient servir d'épitope discontinu pour la reconnaissance par un anticorps ou de paratope, à savoir le site de liaison d'un anticorps, pour la reconnaissance d'autres protéines ou de petites molécules. Notre hypothèse de travail est que ces beta-lactamases chimériques partageront certaines similitudes avec les anticorps de camélidés dont le site de reconnaissance n'est constitué que de trois boucles. Comme nous ne savions pas a priori quelles sont les séquences à introduire pour lier la molécule cible, nous avons introduit des séquences dégénérées pour créer une grande banque de mutants et sélectionner dans cette banque les clones ayant une affinité pour le ligand d'intérêt. La partie la plus difficile de ce projet fut la création de la collection d'enzymes mutantes contenant trois boucles dégénérées. La dégénérescence de la boucle 1, située à proximité du site actif, a été réalisée en remplaçant aléatoirement trois résidus. Dans la boucle 2, un peptide aléatoire de cinq, six ou sept résidus a été inséré entre deux cystéines et dans la boucle 3, une insertion de six résidus aléatoires a été réalisée. En pratique, l'ingénierie des boucles 1 et 2 a été effectuée dans la même construction pour créer trois banques (trois tailles d'insert différentes dans la boucle 2). D'autre part, nous disposions déjà de la banque contenant l'insertion dans la boucle 3. Ces banques de première génération ont ensuite subit une sélection in vivo pour ne garder que les clones possédant une certaine activité catalytique, par culture des bactéries infectées sur un milieu contenant de l'ampicilline. Cette étape nous a permis d'avoir un contrôle sur la qualité des banques créées car tous les mutants d'insertions retenus ont obligatoirement une structure tertiaire. Nous avons également montré que la présence de deux résidus cystéines est nécessaire de part et d'autre de l'insert dans la boucle 2 pour maintenir une certaine activité enzymatique. D'autre part, la boucle 1 ne semble pas tolérer d'insertion peptidique et ne permet que la mutagenèse par remplacement. Les banques de première génération ont ensuite été combinées pour créer une banque de seconde génération contenant les trois boucles dégénérées. Cette construction hiérarchisée a permis, avec un bon rendement, la création d'une banque combinatoire de grande taille et de bonne qualité. Grâce à la technique d'expression en surface de phage, cette banque a ensuite été soumise à une sélection in vitro afin d'isoler les clones ayant acquis de l'affinité pour des molécules cibles. Ces ligands sont un ion métallique, le Ni(II), et deux petites molécules organiques, la kanamycine et la sulfanilamide, pour lesquelles une protéine liante serait intéressante comme outil de détection. En ce qui concerne les clones sélectionnés avec le nickel, tous les clones testés contiennent des résidus histidine et montrent une modulation de l'activité en présence du métal, que ce soit une activation ou une inhibition de celle-ci. La meilleure activation a été obtenue pour le clone Ni-5-Amp20-#11, qui voit son activité doublée lorsqu'il est complexé au nickel, tandis que la meilleure inhibition a été obtenue pour le clone Ni-5-#2 avec une diminution de 77 % de l'activité. Quant à la meilleure affinité, elle a été obtenue pour le clone Ni-5-#12 avec une constante de dissociation de 7.10-5 M. Les autres valeurs de Kd varient entre 10-4 M et 10-3 M. Parmi les clones issus de la sélection avec la kanamycine, nous avons trouvé un mutant dont l'activité catalytique est augmentée de 44 % en présence du ligand. Sa constante de dissociation est de 6,6.10-4 M. Quant à la sélection avec la sulfanilamide, elle ne nous a pas permis à ce jour d'isoler des clones ayant acquis une affinité détectable pour cette molécule. Ces résultats nous laissent espérer que la banque construite contient potentiellement des clones ayant la capacité de lier une variété de cibles différentes. Si c'est le cas, ces enzymes chimériques possèdent des avantages sur les anticorps conjugués habituellement utilisés en immuno-détection, car la fonction de reconnaissance et la fonction enzymatique sont portées par la même molécule. Ces protéines pourraient donc être produites facilement et à plus faible coût. De plus, la modulation d'activité permet en principe de détecter la présence du ligand cible en phase homogène.

β-lactamase enzymes catalyze the irreversible hydrolysis of the four-membered cyclic amide ring characteristic of β-lactam antibiotics rendering them inactive and useless against pathogenic bacteria. Understanding structure activity relationships between β-lactam antibiotics and β-lactamases is important for designing novel β-lactams, β-lactamase inhibitors, and β-lactam-based fluorescent probes for rapid diagnosis of β-lactam antibiotic resistant infections. The first half of this study focuses on the class A β-lactamase BlaC from Mycobacterium tuberculosis (Mtb) and addresses intermolecular interactions between BlaC and substrates, inhibitors, and biosensors that influence their kinetic parameters with BlaC and activities against Mtb. The substrate structure activity relationship explained the molecular basis for differential innate resistance of Mtb to faropenem, biapenem, and tebipenem by showing the interactions between BlaC and the lactams that govern differential acyl-intermediate stability and affinity. The inhibitor structure activity relationship revealed features of the BlaC active site that can be exploited to enhance binding and inhibition of BlaC by benzoxaboroles, and demonstrates their utility as potentiators of β-lactam antibiotic activity against Mtb. BlaC-specific β-lactam based fluorescent probes were designed and optimized for Mtb detection. Their utility was demonstrated by detecting down to 10 colony forming units of bacillus Mycobacterium bovis Calmette–Guérin (BCG) in human sputum. The second half of this study focuses on the New Delhi Metallo-β-lactamase-1 (NDM-1), which is rapidly generating bacterial resistance to nearly all β-lactams. The NDM-1 gene encodes a class B1 metallo-β-lactamase enzyme. Purified recombinant NDM-1 was biochemically and biophysically characterized. The crystal structures of apo and monometalated NDM-1 provided structural insight into metal binding and the promiscuous enzymatic activity of NDM-1. Mechanistic details of the NMD-1 reaction were examined by comparing crystal structures of NDM-1 in complex with an unhydrolyzed β-lactam substrate and with hydrolyzed products. These structures were used for quantum mechanics / molecular mechanics simulations to estimate the free energy along the β-lactamase reaction coordinate. The results suggest that NDM-1 uses bulk water as the nucleophile that attacks the β-lactam ring, and a coordinated hydroxide ion or water molecule as the catalytic base depending on pH.

Ulm, Univ., Diss., 2007.

As metalo-beta-lactamases (MBL) são carbapenemases pertencentes à classe B de Ambler e ao grupo 3 de Bush-Jacoby, as duas classificações mais utilizadas atualmente. Essas enzimas conferem, às bactérias, resistência às cefalosporinas, penicilinas e carbapenêmicos, mas não conferem resistência ao monobactam aztreonam. Além disso, não são inibidas por inibidores de -lactamases comercialmente disponíveis, porém possuem sensibilidade ao ácido etileno diamino tetracético (EDTA) e ácido mercaptopropiônico (MPA). Atualmente são conhecidas nove subclasses de MBL: IMP,VIM, SPM, GIM, SIM, AIM, KHM, NDM e DIM. Essas MBL têm se tornado clinicamente importantes, principalmente, em Pseudomonas spp., Acinetobacter spp., e alguns gêneros da família Enterobacteriaceae. O principal objetivo desse trabalho foi a caracterização genética e epidemiológica de P. aeruginosa resistentes aos carbapêmicos, produtoras de MBL, isoladas no Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto Universidade de São Paulo no período de abril a agosto de 2007. Das 54 P. aeruginosa estudadas, 24 foram positivas na triagem fenotípica para MBL e 5 apresentaram o gene blaSPM-1 detectado por PCR e confirmado pelo seqüenciamento. O inibidor mais eficiente na triagem fenotípica foi o EDTA. A baixa correlação entre o teste fenotípico e molecular pode ser explicada pela capacidade que o EDTA possui de aumentar a permeabilidade da membrana celular e assim tornar a bactéria sensível a baixas concentrações do antibiótico. Além disso, a diferença entre o número de isolados resistentes aos carbapenêmicos e/ou ceftazidima e os que apresentaram a MBL podem ser explicados pela associação de outros mecanismos de resistência, como hiperprodução de AmpC, redução da expressão de porinas e/ou aumento do efluxo de antibióticos. De acordo com o perfil de macrorrestrição obtido por eletroforese em campo pulsado as 5 linhagens produtoras de SPM-1 estão agrupadas em 3 perfis clonais distribuídos em diferentes clínicas no hospital não sendo identificado nenhum clone predominante. Finalizando, entre os isolados resistentes aos carbapenêmicos e/ou à ceftazidima a freqüência de P. aeruginosa produtoras de SPM-1 foi de 9,3%, indicando que as medidas aplicadas pela Comissão de Controle de Infecção Hospitalar (CCIH) desta instituição estão sendo eficientes, porém mesmo assim é necessário que a CCIH esteja sempre atenta a relatos de resistência aos carbapenêmicos pois, linhagens produtoras de MBL restringem muito as opções terapêuticas para infecções causas por elas. / Metallo-beta-lactamase (MBL) are carbapenemases which belong to the Bush-Jacoby-Medeiros group 3 and to the molecular class B, according Ambler. These two classifications are the most used nowadays. These enzymes confer microorganisms resistant to cephalosporins, penicillins and carbapenems, but not to aztreonam, a monobactam. Moreover, they are not inhibited by commercially available -lactamases inhibitors, but they are susceptible to EDTA and MPA. Currently this is known nine subclasses of MBL: IMP, VIM, SPM, GIM, SIM, AIM, KHM, NDM and DIM. These MBL became clinically important, especially in microorganisms such as Pseudomonas spp., Acinetobacter spp. and genera of the family Enterobacteriaceae. The main objective of this study was genetic and epidemiologic characterization of MBL-producing-P. aeruginosa, isolated in the Hospital of the Faculty of Medicine of Ribeirão Preto - University of São Paulo in the period from April to August 2007. Among the 54 P. aeruginosa studied, 24 were positive for phenotypic MBL screening and 5 presented blaSPM-1 gene, detected by PCR and confirmed by sequencing. The most efficient inhibitor in phenotypic screening was EDTA. The low correlation between phenotypic and molecular testing can be explained by the ability of EDTA to increase the permeability of cell membranes and rendering the bacteria as sensitive to low concentrations of antibiotic. Furthermore, the difference between number of isolates carbapenem resistant and / or ceftazidime resistant and the number of MBL-producing-P. aeruginosa can be explained by the association with other resistance mechanisms, such as AmpC overproduction, reduced expression of porins and / or increased antibiotics efflux. According to profile of macrorestriction after pulsed-field gel electrophoresis, five SPM-1-producing-P. aeruginosa are grouped in three different clonal profiles. These clonal strains were proceeded from different clinics at the hospital and no predominant clone was identified. Finally, among the carbapenems and/or ceftazidime resistant isolates the frequency of SPM-1-producing-P. aeruginosa was 9.3%, suggesting that the hospital care of infection control has being effective.

As metalo-beta-lactamases (MBL) são carbapenemases pertencentes à classe B de Ambler e ao grupo 3 de Bush-Jacoby, as duas classificações mais utilizadas atualmente. Essas enzimas conferem, às bactérias, resistência às cefalosporinas, penicilinas e carbapenêmicos, mas não conferem resistência ao monobactam aztreonam. Além disso, não são inibidas por inibidores de -lactamases comercialmente disponíveis, porém possuem sensibilidade ao ácido etileno diamino tetracético (EDTA) e ácido mercaptopropiônico (MPA). Atualmente são conhecidas nove subclasses de MBL: IMP,VIM, SPM, GIM, SIM, AIM, KHM, NDM e DIM. Essas MBL têm se tornado clinicamente importantes, principalmente, em Pseudomonas spp., Acinetobacter spp., e alguns gêneros da família Enterobacteriaceae. O principal objetivo desse trabalho foi a caracterização genética e epidemiológica de P. aeruginosa resistentes aos carbapêmicos, produtoras de MBL, isoladas no Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto Universidade de São Paulo no período de abril a agosto de 2007. Das 54 P. aeruginosa estudadas, 24 foram positivas na triagem fenotípica para MBL e 5 apresentaram o gene blaSPM-1 detectado por PCR e confirmado pelo seqüenciamento. O inibidor mais eficiente na triagem fenotípica foi o EDTA. A baixa correlação entre o teste fenotípico e molecular pode ser explicada pela capacidade que o EDTA possui de aumentar a permeabilidade da membrana celular e assim tornar a bactéria sensível a baixas concentrações do antibiótico. Além disso, a diferença entre o número de isolados resistentes aos carbapenêmicos e/ou ceftazidima e os que apresentaram a MBL podem ser explicados pela associação de outros mecanismos de resistência, como hiperprodução de AmpC, redução da expressão de porinas e/ou aumento do efluxo de antibióticos. De acordo com o perfil de macrorrestrição obtido por eletroforese em campo pulsado as 5 linhagens produtoras de SPM-1 estão agrupadas em 3 perfis clonais distribuídos em diferentes clínicas no hospital não sendo identificado nenhum clone predominante. Finalizando, entre os isolados resistentes aos carbapenêmicos e/ou à ceftazidima a freqüência de P. aeruginosa produtoras de SPM-1 foi de 9,3%, indicando que as medidas aplicadas pela Comissão de Controle de Infecção Hospitalar (CCIH) desta instituição estão sendo eficientes, porém mesmo assim é necessário que a CCIH esteja sempre atenta a relatos de resistência aos carbapenêmicos pois, linhagens produtoras de MBL restringem muito as opções terapêuticas para infecções causas por elas. / Metallo-beta-lactamase (MBL) are carbapenemases which belong to the Bush-Jacoby-Medeiros group 3 and to the molecular class B, according Ambler. These two classifications are the most used nowadays. These enzymes confer microorganisms resistant to cephalosporins, penicillins and carbapenems, but not to aztreonam, a monobactam. Moreover, they are not inhibited by commercially available -lactamases inhibitors, but they are susceptible to EDTA and MPA. Currently this is known nine subclasses of MBL: IMP, VIM, SPM, GIM, SIM, AIM, KHM, NDM and DIM. These MBL became clinically important, especially in microorganisms such as Pseudomonas spp., Acinetobacter spp. and genera of the family Enterobacteriaceae. The main objective of this study was genetic and epidemiologic characterization of MBL-producing-P. aeruginosa, isolated in the Hospital of the Faculty of Medicine of Ribeirão Preto - University of São Paulo in the period from April to August 2007. Among the 54 P. aeruginosa studied, 24 were positive for phenotypic MBL screening and 5 presented blaSPM-1 gene, detected by PCR and confirmed by sequencing. The most efficient inhibitor in phenotypic screening was EDTA. The low correlation between phenotypic and molecular testing can be explained by the ability of EDTA to increase the permeability of cell membranes and rendering the bacteria as sensitive to low concentrations of antibiotic. Furthermore, the difference between number of isolates carbapenem resistant and / or ceftazidime resistant and the number of MBL-producing-P. aeruginosa can be explained by the association with other resistance mechanisms, such as AmpC overproduction, reduced expression of porins and / or increased antibiotics efflux. According to profile of macrorestriction after pulsed-field gel electrophoresis, five SPM-1-producing-P. aeruginosa are grouped in three different clonal profiles. These clonal strains were proceeded from different clinics at the hospital and no predominant clone was identified. Finally, among the carbapenems and/or ceftazidime resistant isolates the frequency of SPM-1-producing-P. aeruginosa was 9.3%, suggesting that the hospital care of infection control has being effective.

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Hemophilus influenzae (Hi) has been an important strain in clinical examination, but it is not clear about its subtype, non-typable Hi, in causing invasive diseases after years of application of vaccines against typable Hi. Thus, the study is to determine the major infected bacterium causing invasive diseases and investigate the genotype relationship between antibiotic resistance and active IgA1 protease. Practical approaches of the study include clone each microorganism from infected blood, pus, sputum, bronchial washing and thorax samples of patients with invasive diseases. Each of the organisms was assayed for IgA1 protease activity, the type of the enzyme and antibiotic resistance. Forty-five patients aged 1 to over 71 with invasive diseases of diagnosed pneumonia, sinusitis, bacteremia, bronchitis, chronic obstructive of pulmonary diseases (COPD), conjunctivitis or otitis media, were analyzed, and all the 45 Hi isolates contain iga gene but only 80% contain active IgA1 protease. Mutations to silence iga gene are common in Hi isolates. The dominant population of infected bacterium is Hi, 84% of which are non-typable (NTHi). About 76% of NTHi and 85% of typable Hi (THi) contained active IgA1 protease. PFGE analysis showed that none of the 45 Hi isolates had identical genome. Phenotypes of active IgA1 protease and antibiotic resistance of the 45 Hi isolates showed no close relations each other. This study clearly demonstrated that NTHi has become a dominant strain in causing invasive diseases. Antibiotic resistance and active IgA1 protease are two essential but independent phenotypes for NTHi to infect and colonize. Antibiotic resistance of NTHi is dependent on the presence of beta-lactamase.

Stuttgart, Univ., Diss., 2007.