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Declining antibiotic discovery and flourishing antibiotic resistance have led to a modern antibiotic crisis which threatens to compromise our ability to treat infectious disease. Consequently, there is significant interest in developing new antibiotics with novel modes of action and chemical properties. Ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides (RiPPs) are natural compounds with the appealing attributes of being derived directly from a genetic template while possessing numerous exotic chemical features that contribute to stability and antimicrobial activity. Abundant in nature, their diverse range of biological activities makes them excellent prospects for antibiotic development. Thiopeptides, a RiPP family rich in chemical complexity, represent a particularly promising example. Characterized by post-translationally formed sulfur- and nitrogen-containing heterocycles, more than 100 different thiopeptides have been identified from various cultivable bacterial producers, and the mining of genomic and metagenomic data promises to uncover many more chemical species that have eluded discovery by conventional means. These peptides are potent inhibitors of bacterial protein synthesis and have been shown effective against many drug-resistant pathogens. Despite these attractive properties, therapeutic applications have been limited by the lack of an efficient synthetic route and poor aqueous solubility. Both of these challenges would be greatly alleviated by a more complete understanding of thiopeptide biosynthesis and improved systems for analysis and engineering. Here we describe the characterization of a new thiopeptide gene cluster, which encodes the archetypal thiopeptide micrococcin P1. We describe the identification of the bioactive product and detail the mechanism of immunity in the producing strain. We also describe efforts to engineer this pathway for heterologous expression in Bacillus subtilis. Using this platform, we have been able to dissect this intricate biosynthetic pathway and parse the order and timing of the processing events involved in peptide maturation. The knowledge gained from these studies will inform future efforts to adapt thiopeptides for therapeutic use, and guide efforts to engineer unnatural compounds using the exotic enzymology employed by thiopeptide producing bacteria.

Face à l’apparition grandissante de souches bactériennes multi-résistantes à l’arsenal d’antibiotiques actuels, les thiopeptides antibiotiques, bien que connus depuis plus de 60 ans, suscitent actuellement un fort regain d’intérêt. En effet, cette classe de molécules présente une forte activité antibiotique contre des souches bactériennes résistantes et multirésistantes, et met en œuvre deux modes d’inhibition originaux de la synthèse protéique encore inexploités en thérapie antibiotique humaine. Leur développement pharmacologique est en particulier freiné par la difficulté de préparation de ces molécules très complexes. L'élaboration d'une stratégie innovante de synthèse de la partie la plus complexe de ces molécules, le cœur hétérocyclique est étudiée dans ce travail. Cette approche repose sur l'étude et la valorisation de nouvelles méthodologies de fonctionnalisation directe des liaisons C-H et C-X de mono- et bis-thiazoles avec une large gamme d’hétéroaromatiques. Sa viabilité est démontrée par la préparation du cœur hétérocyclique commun aux amythiamicines. / Due to the emergence of multiresistant bacterial strains to standard antibacterial treatments, thiopeptides antibiotics are actually highly considered, though they are known for 60 years. They show an excellent antibiotic activity against multiresistant bacterial strains, and implement two originals inhibition mechanisms of protein synthesis, still unemployed in human therapy. However, the difficulty to prepare these complex macromolecules limits their pharmacological development. The development of a new strategy to synthetize the most complicated part of these macromolecules, their heterocyclic core, is studied here in. This approach is based on the study and the exploitation of novel direct C-H and C-X transition-metal-catalyzed couplings of mono- and bithiazoles units with a broad panel of heteroaromatics. Its viability is here demonstrated trough the multi-step synthesis of the common heterocyclic core of amythiamicins.

Face à l'apparition alarmante et continue de résistance massive des bactéries à l'arsenal actuel d'antibiotiques, la recherche de nouveaux agents antibactériens est actuellement un enjeu sociétal de tout premier ordre. Bien que connus depuis plus de 50 ans, les thiopeptides antibiotiques suscitent actuellement un très fort regain d'intérêt de la communauté scientifique internationale en raison de leurs propriétés antibactériennes remarquables, notamment contre les staphylococcus areus résistants à la méthiciline et les enterococci résistants à la vancomycine, impliquées dans de nombreuses infections qui engagent la vie des patients, et qui s'exercent de façon très intéressante selon deux modes d'action d'inhibition de la synthèse protéique originaux et encore inexploités en thérapie antibiotique humaine. Le travail développé s'inscrit dans ce programme international de valorisation pharmacologique qui repose pour une grande part sur le développement d'approches synthétiques rapides et modulables. Le projet a été centré en particulier sur la conception et la mise en oeuvre de nouveaux plans de synthèse des unités centrales di- ou trithiazolylpyridines, appelées coeurs hétérocycliques, communs à de nombreux thiopeptides de la série d et qui représentent les principaux défis synthétiques. Dans le cadre d'un programme de recherche du laboratoire ciblé sur l'étude de nouvelles méthodes de fonctionnalisation directe d'aromatiques et d'hétérocyclique, un premier travail méthodologique d'étude de la fonctionnalisation directe dans deux séries structurellement représentatives, thiazole-4-carboxylate et 2-cétothiazole, a été réalisé. Ainsi, une nouvelle méthodologie originale d'hétéroarylation directe pallado-catalysée régioselective du thiazole-4-carboxylate de tert-butyle avec une large gamme d'halogéno(hétéro)aromatiques a été développée avec succès. Une seconde méthodologie originale d'hétéroarylation directe de 4-bromo-2-cétothiazoles selon une séquence réactionnelle de boroylation pallado-catalysée suivie d'un couplage de Suzuki-Miyaura (BSC) a également été développée. Un second travail a porté sur l'exploitation des deux méthodologies de fonctionnalisation directe en série thiazolique développées et associées à la méthodologie de construction thiazolique de Hantzsch pour proposer et mettre en oeuvre un nouveau plan de synthèse expéditif et général d'accès aux coeurs hétérocycliques communs à une grande majorité des thiopeptides de la série d basé sur la fonctionnalisation séquencée d'un précurseur pyridinique aisément accessible. En particulier, la stratégie envisagée a permis, à partir des esters 5-bromopicolinates, la préparation tout d'abord d'un analogue thiazolique du coeur hétérocyclique des sulfomycines puis celle des coeurs hétérocycliques des micrococcines et des amithiamicynes.

Face à l’apparition alarmante et continue de résistance massive des bactéries à l’arsenal actuel d’antibiotiques, la recherche de nouveaux agents antibactériens est actuellement un enjeu sociétal de tout premier ordre. Bien que connus depuis plus de 50 ans, les thiopeptides antibiotiques suscitent actuellement un très fort regain d’intérêt de la communauté scientifique internationale en raison de leurs propriétés antibactériennes remarquables, notamment contre les staphylococcus areus résistants à la méthiciline et les enterococci résistants à la vancomycine, impliquées dans de nombreuses infections qui engagent la vie des patients, et qui s’exercent de façon très intéressante selon deux modes d’action d’inhibition de la synthèse protéique originaux et encore inexploités en thérapie antibiotique humaine. Le travail développé s’inscrit dans ce programme international de valorisation pharmacologique qui repose pour une grande part sur le développement d’approches synthétiques rapides et modulables. Le projet a été centré en particulier sur la conception et la mise en oeuvre de nouveaux plans de synthèse des unités centrales di- ou trithiazolylpyridines, appelées coeurs hétérocycliques, communs à de nombreux thiopeptides de la série d et qui représentent les principaux défis synthétiques. Dans le cadre d’un programme de recherche du laboratoire ciblé sur l’étude de nouvelles méthodes de fonctionnalisation directe d’aromatiques et d’hétérocyclique, un premier travail méthodologique d’étude de la fonctionnalisation directe dans deux séries structurellement représentatives, thiazole-4-carboxylate et 2-cétothiazole, a été réalisé. Ainsi, une nouvelle méthodologie originale d’hétéroarylation directe pallado-catalysée régioselective du thiazole-4-carboxylate de tert-butyle avec une large gamme d’halogéno(hétéro)aromatiques a été développée avec succès. Une seconde méthodologie originale d’hétéroarylation directe de 4-bromo-2-cétothiazoles selon une séquence réactionnelle de boroylation pallado-catalysée suivie d’un couplage de Suzuki-Miyaura (BSC) a également été développée. Un second travail a porté sur l’exploitation des deux méthodologies de fonctionnalisation directe en série thiazolique développées et associées à la méthodologie de construction thiazolique de Hantzsch pour proposer et mettre en oeuvre un nouveau plan de synthèse expéditif et général d’accès aux coeurs hétérocycliques communs à une grande majorité des thiopeptides de la série d basé sur la fonctionnalisation séquencée d’un précurseur pyridinique aisément accessible. En particulier, la stratégie envisagée a permis, à partir des esters 5-bromopicolinates, la préparation tout d’abord d’un analogue thiazolique du coeur hétérocyclique des sulfomycines puis celle des coeurs hétérocycliques des micrococcines et des amithiamicynes. / Facing the alarmist and constant emergence of novel resistances of bacteria to the current arsenal of antibiotics, the research of novel antibacterial agents is of main importance in our modern society. Though being well-known since 50 years, the thiopeptide family display a high renewed of interest due to their high antibacterial properties against the Gram-positive bacteria, including the multi-drugs resistant staphylococcus areus strains (MRSA) and vancomycinresistant enterococci (VRE), through interestingly two original modes of action of the inhibition of the protein synthesis, yet unexploited by human therapeutics. The present work takes part of the current active international research program of pharmalogical valorisation of thiopeptides as novel human antibacterial therapeutics and one of the major points is the development of innovative and versatile synthetic approaches. Toward this direction, the project is mainly based upon the design of original synthetic strategy to the most synthetically challenging di- or trithiazolypyridines heterocyle cores of thiopeptide of serie d. In the course of a current research program on the development of metallo-catalyzed direct C-H(X) functionnalization in heteroaromatics series, the first part of this work had been focused on the setting of two innovative direct C-H(X) functionnalization methodologies in two structurally representative scaffolds, thiazole-4-carboxylate and 2- ketothiazoles. Thus, the direct regioselective C-H heteroarylation of thiazole-4-carboxylate as well as the direct C-Br heteroarylation of 4-bromo-2-ketothiazole through a boroylation Suzuki coupling sequence (BSC) have been examined. The last part of the work has been focused on the use of both novel direct C-H(Br) functionalization methodologies in thiazole series combined with the Hantzsch thiazole synthesis to propose a novel general and versatile synthetic approach toward the common heterocyclic cores of several thiopeptides of serie d through a pyridine modulation strategy from a ready available pyridine precursor. In particular, the novel developed strategy has been sucessfully applied to the preparation of the sulfomycinamate thio-analog as well as the heterocyclic cores of micrococcins and amithiamycins.

The outer membrane (OM) of P. aeruginosa is a semi-permeable barrier that contributes to antibiotic resistance by reducing uptake. Finding strategies to circumvent this barrier is a major challenge. One approach involves screening in physiologically relevant conditions to identify novel activity in existing molecules. We discovered that thiostrepton (TS), a thiopeptide antibiotic with no reported activity against Gram-negative bacteria, hijacks the pyoverdine siderophore transporters FpvA and FpvB to cross the OM under iron limitation to inhibit translation. Using TS, we subsequently showed that FpvB is not primarily a pyoverdine transporter, but rather a promiscuous transporter for siderophores ferrichrome and ferrioxamine B. Our work with TS suggested that other thiopeptides may use siderophore transporters for entry into the cell. This hypothesis led to a screen to identify other thiopeptides with activity against P. aeruginosa, uncovering two other thiopeptides, thiocillin and micrococcin, that use the ferrioxamine transporter FoxA for uptake. We discovered another siderophore, bisucaberin, could also use FoxA for uptake and our collaborators solved the crystal structure of bisucaberin bound to FoxA. Through biochemical approaches, we characterized how FoxA accommodates structurally distinct ligands. Finally, we screened known large natural product antibiotics with no pseudomonal activity under nutrient limitation and discovered that the glycopeptide vancomycin inhibits growth by blocking peptidoglycan crosslinking. This pilot screen emphasizes the importance of screening for antibiotics under physiologically relevant conditions to avoid overlooking potential hits. Overall, the findings from these studies can be used to guide medicinal chemistry efforts to develop novel siderophore-antibiotic conjugates for the treatment of P. aeruginosa infections. These results also help us gain a deeper understanding of the mechanism of binding and uptake through siderophore transporters and the range of substrates that can be taken up. / Dissertation / Doctor of Philosophy (PhD) / Antibiotic resistance is a growing crisis that threatens modern medicine, and it is becoming more challenging to discover truly new antibiotics to combat this threat. Intrinsic resistance conferred by the outer membrane of Gram-negative bacteria restricts the entry of many antibiotics, especially larger antibiotics that would otherwise inhibit the growth of Gram-positive bacteria. Consequently, there are fewer treatment options for infections caused by Gram-negative bacteria and developing new antibiotics that can cross the outer membrane remains a significant challenge in drug discovery. My work describes the discovery of a class of antibiotics that can bypass the outer membrane using specific outer-membrane nutrient transporters. Using biochemical, structural biology, fluorescence microscopy, and molecular biology techniques, we uncover the molecular determinants of uptake of these antibiotics for their respective transporters. These results can inform the design of novel narrow-spectrum antibiotics that can overcome the outer membrane barrier to combat antimicrobial resistance.

Peptides are small proteins that are crucial in many biological pathways such as antimicrobial defense, hormone signaling, and virulence. They often exhibit tight specificity for their targets and therefore have great therapeutic potential. Many peptide-based therapeutics are currently available, and the demand for this type of drug is expected to continue to increase. In order to satisfy the growing demand for peptide-based therapeutics, new engineering approaches to generate novel peptides should be developed. Ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides (RiPPs) are a group of peptides that have the potential to be effective scaffolds for in vivo peptide engineering projects. These natural RiPP peptides are enzymatically endowed with post-translational modifications (PTMs) that result in increased stability and greater target specificity. Many RiPPs, such as microcin J25 and micrococcin, can tolerate considerable amino acid sequence randomization while still being capable of receiving unique post-translational modifications. This thesis describes how we successfully engineered E. coli to produce the lasso peptide microcin J25 using a two-plasmid inducible expression system. In addition, we characterized the protein-protein interactions between PTM enzymes in the synthesis of micrococcin. The first step in micrococcin synthesis is the alteration of cysteines to thiazoles on the precursor peptide TclE. This step is accomplished by three proteins: TclI, TclJ, and TclN. We found that a 4-membered protein complex is formed consisting of TclI, TclJ, TclN, and TclE. Furthermore, the TclI protein functions as a central adaptor joining two other enzymes in the Tcl pathway with the substrate peptide.

Face à l'apparition grandissante de souches bactériennes multi-résistantes à l'arsenal d'antibiotiques actuels, les thiopeptides antibiotiques, bien que connus depuis plus de 60 ans, suscitent actuellement un fort regain d'intérêt. En effet, cette classe de molécules présente une forte activité antibiotique contre des souches bactériennes résistantes et multirésistantes, et met en œuvre deux modes d'inhibition originaux de la synthèse protéique encore inexploités en thérapie antibiotique humaine. Leur développement pharmacologique est en particulier freiné par la difficulté de préparation de ces molécules très complexes. L'élaboration d'une stratégie innovante de synthèse de la partie la plus complexe de ces molécules, le cœur hétérocyclique est étudiée dans ce travail. Cette approche repose sur l'étude et la valorisation de nouvelles méthodologies de fonctionnalisation directe des liaisons C-H et C-X de mono- et bis-thiazoles avec une large gamme d'hétéroaromatiques. Sa viabilité est démontrée par la préparation du cœur hétérocyclique commun aux amythiamicines.