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Les antibiotiques aminoglycosidiques sont des agents bactéricides de grande valeur et d’efficacité à large spectre contre les pathogènes Gram-positifs et Gram-négatifs, dont plusieurs membres naturels et semisynthétiques sont importants dans l’histoire clinique depuis 1950. Des travaux crystallographiques sur le ribosome, récompensés par le prix Nobel, ont démontré comment leurs diverses structures polyaminées sont adaptées pour cibler une hélice d’ARN dans le centre de codage de la sous-unité 30S du ribosome bactérien. Leur interférence avec l’affinité et la cinétique des étapes de sélection et vérification des tARN induit la synthèse de protéines à basse fidélité, et l’inhibition de la translocation, établissant un cercle vicieux d’accumulation d’antibiotique et de stress sur la membrane. En réponse à ces pressions, les pathogènes bactériens ont évolué et disséminé une panoplie de mécanismes de résistance enzymatiques et d’expulsion : tels que les N acétyltransférases, les O phosphotransférases et les O nucleotidyltransférases qui ciblent les groupements hydroxyle et amino sur le coeur des aminoglycosides; des méthyl-transférases, qui ciblent le site de liaison ribosomale; et des pompes d’expulsion actives pour l’élimination sélective des aminoglycosides, qui sont utilisés par les souches Gram-négatives. Les pathogènes les plus problématiques, qui présentent aujourd’hui une forte résilience envers la majorité des classes d’antibiotiques sur le bord de la pan-résistance ont été nommés des bactéries ESKAPE, une mnémonique pour Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa et Enterobacteriaceae. La distribution globale des souches avec des mécanismes de résistance envers les standards cliniques aminoglycosides, tels que la tobramycine, l’amikacine et la gentamicine, est comprise entre 20 et 60% des isolées cliniques. Ainsi, les aminoglycosides du type 4,6-disubstitués-2-deoxystreptamine sont inadéquats comme thérapies anti-infectieuses à large spectre. Cependant, la famille des aminoglycosides 4,5-disubstitués, incluant la butirosine, la neomycine et la paromomycine, dont la structure plus complexe, pourrait constituter une alternative. Des collègues dans le groupe Hanessian et collaborateurs d’Achaogen Inc. ont démontré que certains analogues de la paraomomycine et neomycine, modifiés par désoxygénation sur les positions 3’ et 4’, et par substitution avec la chaîne N1-α-hydroxy-γ-aminobutyramide (HABA) provenant de la butirosine, pourrait produire des antibiotiques très prometteurs. Le Chapitre 4 de cette dissertation présente la conception et le développement d’une stratégie semi-synthétique pour produire des nouveaux aminoglycosides améliorés du type 4,5 disubstitués, inspiré par des modifications biosynthétiques de la sisomicine, qui frustrent les mécanismes de résistance bactérienne distribuées globalement. Cette voie de synthèse dépend d’une réaction d’hydrogénolyse de type Tsuji catalysée par palladium, d’abord développée sur des modèles monosaccharides puis subséquemment appliquée pour générer un ensemble d’aminoglycosides hybrides entre la neomycine et la sisomicine. Les études structure-activité des divers analogues de cette nouvelle classe ont été évaluées sur une gamme de 26 souches bactériennes exprimant des mécanismes de résistance enzymatique et d’expulsion qui englobe l’ensemble des pathogènes ESKAPE. Deux des antibiotiques hybrides ont une couverture antibacterienne excellente, et cette étude a mis en évidence des candidats prometteurs pour le développement préclinique. La thérapie avec les antibiotiques aminoglycosidiques est toujours associée à une probabilité de complications néphrotoxiques. Le potentiel de toxicité de chaque aminoglycoside peut être largement corrélé avec le nombre de groupements amino et de désoxygénations. Une hypothèse de longue date dans le domaine indique que les interactions principales sont effectuées par des sels des groupements ammonium, donc l’ajustement des paramètres de pKa pourrait provoquer une dissociation plus rapide avec leurs cibles, une clairance plus efficace et globalement des analogues moins néphrotoxiques. Le Chapitre 5 de cette dissertation présente la conception et la synthèse asymétrique de chaînes N1 HABA β substitutées par mono- et bis-fluoration. Des chaînes qui possèdent des γ-N pKa dans l’intervalle entre 10 et 7.5 ont été appliquées sur une neomycine tétra-désoxygénée pour produire des antibiotiques avancés. Malgré la réduction considérable du γ N pKa, le large spectre bactéricide n’a pas été significativement affecté pour les analogues fluorés isosteriques. De plus, des études structure-toxicité évaluées avec une analyse d’apoptose propriétaire d’Achaogen ont démontré que la nouvelle chaîne β,β difluoro-N1-HABA est moins nocive sur un modèle de cellules de rein humain HK2 et elle est prometteuse pour le développement d’antibiotiques du type neomycine avec des propriétés thérapeutiques améliorées. Le chapitre final de cette dissertation présente la proposition et validation d’une synthèse biomimétique par assemblage spontané du aminoglycoside 66-40C, un dimère C2 symétrique bis-imine macrocyclique à 16 membres. La structure proposée du macrocycle a été affinée par spectroscopie nucléaire à un système trans,trans-bis-azadiène anti-parallèle. Des calculs indiquent que l’effet anomérique de la liaison α glycosidique entre les anneaux A et B fournit la pré-organisation pour le monomère 6’ aldéhydo sisomicine et favorise le produit macrocyclique observé. L’assemblage spontané dans l’eau a été étudié par la dimérisation de trois divers analogues et par des expériences d’entre croisement qui ont démontré la généralité et la stabilité du motif macrocyclique de l'aminoglycoside 66-40C. / Aminoglycosides are valuable and effective broad-spectrum bactericidal antibiotics against Gram-positive and Gram-negative pathogens, with several members of natural and semisynthetic origin occupying prominent roles in clinical practice since 1950. Nobel-prize winning crystallographic studies on the ribosome have revealed how their diverse polyaminated sugar framework is tailored to target a RNA helix within the decoding centre of the bacterial 30S subunit. By interfering with the affinity and kinetics of the tRNA selection and proof-reading steps, they induce error-prone protein synthesis, and translocation inhibition and lead to a lethal cycle of antibiotic uptake and membrane stress. In retaliation, bacterial pathogens have evolved and disseminated a number of enzymatic and efflux resistance mechanisms. These include N acetyl-transferases, O phosphotransferases and O nucleotidyltransferases, which target the core hydroxyl and amino groups of aminoglycosides promiscuously; methyltransferases, which target the ribosomal binding-site; and energy-dependent drug efflux pumps for aminoglycoside-selective elimination, in Gram-negative pathogens. The most problematic infectious pathogens which are currently resilient to most unrelated antibiotic classes and in the verge of pan-resistance have been defined ‘ESKAPE’ bacteria, a mnemonic for Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa and Enterobacteriaceae. The world-wide spread of aminoglycoside resistance to current clinical standards, such as tobramycin, amikacin and gentamicin, ranges from 20 to 60% of clinical isolates. Hence, the contemporary 4,6-disubstituted-2-deoxystreptamine aminoglycosides are currently inadequate as broad-spectrum anti-infective therapies. The 4,5-disubstituted class of aminoglycosides are a challenging framework for medicinal chemistry, which includes butirosin, neomycin and paromomycin. Exploring the potential of these alternatives, colleagues in the Hanessian group and collaborators of Achaogen Inc. have demonstrated that paromomycin and neomycin analogs modified by deoxygenation of positions 3' and 4', as well as N1-substituted analogs possesing the α hydroxy-γ-aminobutyryl amide (HABA) chain of butirosin, could produce promising antibiotics. Chapter 4 of this dissertation features the conception and development of an expedient semi-synthetic strategy to access novel aminoglycosides of the 4,5 disubstituted class, inspired from biosynthetic modifications of the sisomicin subfamily, that surmount the wide-spread bacterial resistance mechanisms. This synthetic methodology relies on a novel Tsuji palladium-catalyzed hydrogenolysis developed on model monosaccharides, which was applied to generate a library of aminoglycosides comprising ring A hybrids of the neomycin and sisomicin families. The structure-activity relationships of this new class were assessed against a panel of 26 bacterial strains expressing modifying enzymes and efflux systems to provide an overview of ESKAPE pathogens. Two novel hybrid aminoglycoside analogs exhibited excellent antibacterial coverage, and may be promising candidates for preclinical development. Aminoglycoside therapy is also invariably associated with a probability of nephrotoxic complications. Aminoglycoside toxicity has been largely correlated with the number of amino groups, and more loosely with the extent of deoxygenation. A long standing hypothesis in the field states that because the foremost interactions are effected by ammonium group salts, the tuning of pKa parameters could provide a higher target dissociation rate, more effective clearance and overall less nephrotoxic analogs. Chapter 5 in this dissertation features the conception and asymmetric synthesis of isosteric β substituted N1 HABA chains, modified by mono- and bis-fluorination. These chains covering a range of γ-N pKa values from 10 to 7.5 were applied to advanced tetra-deoxygenated neomycin antibiotics. In spite of the important reduction in γ N pKa, broad spectrum antimicrobial activity was not significantly disrupted for isosteric fluorinated analogs. Furthermore, structure-toxicity relationships, assessed by Achaogen’s proprietary luciferase-coupled apoptosis assay, revealed that the novel β,β difluoro-N1-HABA chain is less harmful in a Human Kidney 2 cell-line model and promising for the development as new generation neomycin antibiotics with improved therapeutic properties. The final chapter in this dissertation features the proposal and validation of the concise biomimetic synthesis and self-assembly of aminoglycoside 66-40C, a remarkable C2-symmetric 16 membered macrocyclic bis-imine dimer. The proposed structure was spectroscopically characterized as an anti-parallel s-trans-bis-azadiene macrocyclic system. Calculations indicate the anomeric effect of the α glycosidic bond between rings A and B is important for pre-organization of the monomeric sisomicin 6' aldehyde and favors the observed macrocycle product. Self-assembly in aqueous solutions was studied through the dimerization of three diverse analogs and cross-over experiments, which demonstrated the generality and stability of the macrocyclic motif of aminoglycoside 66-40C.

Les antibiotiques aminoglycosidiques sont des agents bactéricides de grande valeur et d’efficacité à large spectre contre les pathogènes Gram-positifs et Gram-négatifs, dont plusieurs membres naturels et semisynthétiques sont importants dans l’histoire clinique depuis 1950. Des travaux crystallographiques sur le ribosome, récompensés par le prix Nobel, ont démontré comment leurs diverses structures polyaminées sont adaptées pour cibler une hélice d’ARN dans le centre de codage de la sous-unité 30S du ribosome bactérien. Leur interférence avec l’affinité et la cinétique des étapes de sélection et vérification des tARN induit la synthèse de protéines à basse fidélité, et l’inhibition de la translocation, établissant un cercle vicieux d’accumulation d’antibiotique et de stress sur la membrane. En réponse à ces pressions, les pathogènes bactériens ont évolué et disséminé une panoplie de mécanismes de résistance enzymatiques et d’expulsion : tels que les N acétyltransférases, les O phosphotransférases et les O nucleotidyltransférases qui ciblent les groupements hydroxyle et amino sur le coeur des aminoglycosides; des méthyl-transférases, qui ciblent le site de liaison ribosomale; et des pompes d’expulsion actives pour l’élimination sélective des aminoglycosides, qui sont utilisés par les souches Gram-négatives. Les pathogènes les plus problématiques, qui présentent aujourd’hui une forte résilience envers la majorité des classes d’antibiotiques sur le bord de la pan-résistance ont été nommés des bactéries ESKAPE, une mnémonique pour Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa et Enterobacteriaceae. La distribution globale des souches avec des mécanismes de résistance envers les standards cliniques aminoglycosides, tels que la tobramycine, l’amikacine et la gentamicine, est comprise entre 20 et 60% des isolées cliniques. Ainsi, les aminoglycosides du type 4,6-disubstitués-2-deoxystreptamine sont inadéquats comme thérapies anti-infectieuses à large spectre. Cependant, la famille des aminoglycosides 4,5-disubstitués, incluant la butirosine, la neomycine et la paromomycine, dont la structure plus complexe, pourrait constituter une alternative. Des collègues dans le groupe Hanessian et collaborateurs d’Achaogen Inc. ont démontré que certains analogues de la paraomomycine et neomycine, modifiés par désoxygénation sur les positions 3’ et 4’, et par substitution avec la chaîne N1-α-hydroxy-γ-aminobutyramide (HABA) provenant de la butirosine, pourrait produire des antibiotiques très prometteurs. Le Chapitre 4 de cette dissertation présente la conception et le développement d’une stratégie semi-synthétique pour produire des nouveaux aminoglycosides améliorés du type 4,5 disubstitués, inspiré par des modifications biosynthétiques de la sisomicine, qui frustrent les mécanismes de résistance bactérienne distribuées globalement. Cette voie de synthèse dépend d’une réaction d’hydrogénolyse de type Tsuji catalysée par palladium, d’abord développée sur des modèles monosaccharides puis subséquemment appliquée pour générer un ensemble d’aminoglycosides hybrides entre la neomycine et la sisomicine. Les études structure-activité des divers analogues de cette nouvelle classe ont été évaluées sur une gamme de 26 souches bactériennes exprimant des mécanismes de résistance enzymatique et d’expulsion qui englobe l’ensemble des pathogènes ESKAPE. Deux des antibiotiques hybrides ont une couverture antibacterienne excellente, et cette étude a mis en évidence des candidats prometteurs pour le développement préclinique. La thérapie avec les antibiotiques aminoglycosidiques est toujours associée à une probabilité de complications néphrotoxiques. Le potentiel de toxicité de chaque aminoglycoside peut être largement corrélé avec le nombre de groupements amino et de désoxygénations. Une hypothèse de longue date dans le domaine indique que les interactions principales sont effectuées par des sels des groupements ammonium, donc l’ajustement des paramètres de pKa pourrait provoquer une dissociation plus rapide avec leurs cibles, une clairance plus efficace et globalement des analogues moins néphrotoxiques. Le Chapitre 5 de cette dissertation présente la conception et la synthèse asymétrique de chaînes N1 HABA β substitutées par mono- et bis-fluoration. Des chaînes qui possèdent des γ-N pKa dans l’intervalle entre 10 et 7.5 ont été appliquées sur une neomycine tétra-désoxygénée pour produire des antibiotiques avancés. Malgré la réduction considérable du γ N pKa, le large spectre bactéricide n’a pas été significativement affecté pour les analogues fluorés isosteriques. De plus, des études structure-toxicité évaluées avec une analyse d’apoptose propriétaire d’Achaogen ont démontré que la nouvelle chaîne β,β difluoro-N1-HABA est moins nocive sur un modèle de cellules de rein humain HK2 et elle est prometteuse pour le développement d’antibiotiques du type neomycine avec des propriétés thérapeutiques améliorées. Le chapitre final de cette dissertation présente la proposition et validation d’une synthèse biomimétique par assemblage spontané du aminoglycoside 66-40C, un dimère C2 symétrique bis-imine macrocyclique à 16 membres. La structure proposée du macrocycle a été affinée par spectroscopie nucléaire à un système trans,trans-bis-azadiène anti-parallèle. Des calculs indiquent que l’effet anomérique de la liaison α glycosidique entre les anneaux A et B fournit la pré-organisation pour le monomère 6’ aldéhydo sisomicine et favorise le produit macrocyclique observé. L’assemblage spontané dans l’eau a été étudié par la dimérisation de trois divers analogues et par des expériences d’entre croisement qui ont démontré la généralité et la stabilité du motif macrocyclique de l'aminoglycoside 66-40C. / Aminoglycosides are valuable and effective broad-spectrum bactericidal antibiotics against Gram-positive and Gram-negative pathogens, with several members of natural and semisynthetic origin occupying prominent roles in clinical practice since 1950. Nobel-prize winning crystallographic studies on the ribosome have revealed how their diverse polyaminated sugar framework is tailored to target a RNA helix within the decoding centre of the bacterial 30S subunit. By interfering with the affinity and kinetics of the tRNA selection and proof-reading steps, they induce error-prone protein synthesis, and translocation inhibition and lead to a lethal cycle of antibiotic uptake and membrane stress. In retaliation, bacterial pathogens have evolved and disseminated a number of enzymatic and efflux resistance mechanisms. These include N acetyl-transferases, O phosphotransferases and O nucleotidyltransferases, which target the core hydroxyl and amino groups of aminoglycosides promiscuously; methyltransferases, which target the ribosomal binding-site; and energy-dependent drug efflux pumps for aminoglycoside-selective elimination, in Gram-negative pathogens. The most problematic infectious pathogens which are currently resilient to most unrelated antibiotic classes and in the verge of pan-resistance have been defined ‘ESKAPE’ bacteria, a mnemonic for Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa and Enterobacteriaceae. The world-wide spread of aminoglycoside resistance to current clinical standards, such as tobramycin, amikacin and gentamicin, ranges from 20 to 60% of clinical isolates. Hence, the contemporary 4,6-disubstituted-2-deoxystreptamine aminoglycosides are currently inadequate as broad-spectrum anti-infective therapies. The 4,5-disubstituted class of aminoglycosides are a challenging framework for medicinal chemistry, which includes butirosin, neomycin and paromomycin. Exploring the potential of these alternatives, colleagues in the Hanessian group and collaborators of Achaogen Inc. have demonstrated that paromomycin and neomycin analogs modified by deoxygenation of positions 3' and 4', as well as N1-substituted analogs possesing the α hydroxy-γ-aminobutyryl amide (HABA) chain of butirosin, could produce promising antibiotics. Chapter 4 of this dissertation features the conception and development of an expedient semi-synthetic strategy to access novel aminoglycosides of the 4,5 disubstituted class, inspired from biosynthetic modifications of the sisomicin subfamily, that surmount the wide-spread bacterial resistance mechanisms. This synthetic methodology relies on a novel Tsuji palladium-catalyzed hydrogenolysis developed on model monosaccharides, which was applied to generate a library of aminoglycosides comprising ring A hybrids of the neomycin and sisomicin families. The structure-activity relationships of this new class were assessed against a panel of 26 bacterial strains expressing modifying enzymes and efflux systems to provide an overview of ESKAPE pathogens. Two novel hybrid aminoglycoside analogs exhibited excellent antibacterial coverage, and may be promising candidates for preclinical development. Aminoglycoside therapy is also invariably associated with a probability of nephrotoxic complications. Aminoglycoside toxicity has been largely correlated with the number of amino groups, and more loosely with the extent of deoxygenation. A long standing hypothesis in the field states that because the foremost interactions are effected by ammonium group salts, the tuning of pKa parameters could provide a higher target dissociation rate, more effective clearance and overall less nephrotoxic analogs. Chapter 5 in this dissertation features the conception and asymmetric synthesis of isosteric β substituted N1 HABA chains, modified by mono- and bis-fluorination. These chains covering a range of γ-N pKa values from 10 to 7.5 were applied to advanced tetra-deoxygenated neomycin antibiotics. In spite of the important reduction in γ N pKa, broad spectrum antimicrobial activity was not significantly disrupted for isosteric fluorinated analogs. Furthermore, structure-toxicity relationships, assessed by Achaogen’s proprietary luciferase-coupled apoptosis assay, revealed that the novel β,β difluoro-N1-HABA chain is less harmful in a Human Kidney 2 cell-line model and promising for the development as new generation neomycin antibiotics with improved therapeutic properties. The final chapter in this dissertation features the proposal and validation of the concise biomimetic synthesis and self-assembly of aminoglycoside 66-40C, a remarkable C2-symmetric 16 membered macrocyclic bis-imine dimer. The proposed structure was spectroscopically characterized as an anti-parallel s-trans-bis-azadiene macrocyclic system. Calculations indicate the anomeric effect of the α glycosidic bond between rings A and B is important for pre-organization of the monomeric sisomicin 6' aldehyde and favors the observed macrocycle product. Self-assembly in aqueous solutions was studied through the dimerization of three diverse analogs and cross-over experiments, which demonstrated the generality and stability of the macrocyclic motif of aminoglycoside 66-40C.

A large part of the antibiotics consumed ends up in wastewater, and in the wastewater the antibiotics may exert selective pressure for or maintain resistance among microorganisms. Antibiotic resistant bacteria and genes encoding antibiotic resistance are commonly detected in wastewater, often at higher rates and concentrations compared to surface water. Wastewater can also provide favourable conditions for the growth of a diverse bacterial community, which constitutes a basis for the selection and spread of antibiotic resistance. Therefore, wastewater treatment plants have been suggested to play a role in the dissemination and development of antibiotic resistant bacteria. Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) is a large problem worldwide as a nosocomial pathogen, but knowledge is limited about occurrence in non-clinical environments, such as wastewater, and what role wastewater plays in dissemination and development of MRSA.   In this thesis we investigated the occurrence of MRSA in a full-scale wastewater treatment plant (WWTP). We also investigated the concentration of genes encoding resistance to aminoglycosides (aac(6’)-Ie+aph(2’’)), β-lactam antibiotics (mecA) and tetracyclines (tetA and tetB) in three wastewater-associated environments: (1) soil from an overland flow area treating landfill leachates, (2) biofilm from a municipal wastewater treatment plant, and (3) sludge from a hospital wastewater pipeline. In addition, concentrations of mecA, tetA and tetB were investigated over the treatment process in the WWTP. These investigations were performed to determine how the prevalence and concentration of MRSA and the antibiotic resistence genes are affected in wastewater and wastewater treatment processes over time. The occurrence of MRSA was investigated by cultivation and a commercially available real-time PCR assay. In order to determine concentrations of the genes aac(6’)-Ie+aph(2’’), mecA, tetA and tetB in wastewater we developed a LUXTM real-time PCR assay for each gene.   Using cultivation and real-time PCR we could for the first time describe the occurrence of MRSA in wastewater and show that it had a stable occurrence over time in a WWTP. MRSA could mainly be detected in the early treatment steps in the WWTP, and the wastewater treatment process reduced the number and diversity of cultivated MRSA. However, our results also indicate that the treatment process selects for strains with more extensive resistance and possibly higher virulence. The isolated wastewater MRSA strains were shown to have a close genetic relationship to clinical isolates, and no specific wastewater lineages could be detected, indicating that they are a reflection of carriage in the community. Taken together, these data indicate that wastewater may be a potential reservoir for MRSA and that MRSA are more prevalent in wastewater than was previously thought.   The real-time PCR assays, for aac(6’)-Ie+aph(2’’), mecA, tetA, and tetB that we developed, were shown to be sensitive, fast, and reproducible methods for detection and quantification of these genes in wastewater environments. The highest concentrations of all genes were observed in the hospital pipeline, and the lowest in the overland flow system, with tetA and aac(6´)-Ie+aph(2´´) detected in all three environments. In the full-scale WWTP, we continuously detected mecA, tetA and tetB over the treatment process and over time. In addition, it was shown that the treatment process reduces concentrations of all three genes. The data presented in this thesis also indicate that the reduction for all three genes may be connected to the removal of biomass, and in the reduction of tetA and tetB, sedimentation and precipitation appear to play an important role.

This study focuses on the question of the epidemiology of resistance to antibiotics in Acinetobacter baumannii, which is nowadays one of the most problematic bacterial patho- gens associated with failing antimicrobial therapy. Its aim was to define population-genetic properties, epidemiology and the nature of multidrug resistance for a sample of the current population of A. baumannii from Czechia. A total of 55 isolates were collected in eight medi- cal facilities in central Bohemia from October 2016 to May 2018. The isolates were assessed for their identity at the species, clonal and strain levels as well as resistance phenotype and genotype; they were classified into five clonal groups, each of which encompassed isolates that were likely to be epidemiologically related. The 55 isolates studied belonged, nearly exclusively, to global clone ECII, with 53 % of them forming a genetically relatively homoge- neous group characterized by extensive resistance to antibiotics (susceptible only to col- istin), the presence of genes encoding ArmA a OXA-23 (resistance to all aminoglycosides and carbapenems) and spread in all locations. The in-depth epidemiological analysis of isolates from the city of Příbram and its vicinity indicated the regional spread of two strains, one of which belonged to the...

RNAs have become increasingly recognized as possible drug targets due to their involvement in important biochemical functions, as well as their unique but well-defined structures. Recently published crystal structures depict the binding of a series of aminoglycosides- or more specifically- 2-deoxystretamine (2-DOS), the most preserved central scaffold of aminoglycosides, to a conserved 5'-GU-3'region on their target RNAs. A novel unnatural γ-amino acid, 1, has been synthesized using 2-deoxystreptamine as a template through structure-based rational design. The unnatural amino acid has been designed to replace a glycosidic linkage with an amide bond, which may limit the promiscuous binding characteristics of aminoglycosides through increased rigidity of the ligands and additional hydrogen bonding. The binding selectivity and affinity will be studied in the future through a fluorescence assay.

Les pneumopathies acquises sous ventilation mécanique (PAVM) sont responsables d'une mortalité élevée. La nébulisation d'antibiotiques permet d'améliorer l'efficacité de leur traitement. Pour autant, aucune donnée pharmacocinétique portant sur la colistine et la gentamicine ne permet de recommander un schéma posologique particulier.Nous avons comparé les propriétés pharmacocinétiques plasmatique et intra-pulmonaire de la colistine (administrée sous forme de prodrogue, le colistiméthate sodique ou CMS) et de la gentamicine selon le mode d'administration (nébulisation ou perfusion intraveineuse) chez des patients de réanimation présentant une PAVM.Les concentrations intra-pulmonaires de colistine et de gentamicine étaient, respectivement, de 10 à 40 et 50 à 70 fois supérieures, après nébulisation, à celles retrouvées après administration d'une même dose par voie intraveineuse. La nébulisation permettrait également de limiter le risque de toxicité systémique avec une biodisponibilité inférieure à 10%.En assurant de fortes concentrations intra-pulmonaires et un faible passage systémique, la nébulisation de CMS et de gentamicine pourrait être une bonne alternative à leur administration intraveineuse dans le traitement des PAVM. / Ventilator-associated pneumonia (VAP) is associated with high mortality. Nebulization of antibiotics improves outcome of patient with VAP. However, pharmacokinetic data concerning colistin and gentamicin allowing for optimal dosing regimen recommendation are lacking.We compared systemic and pulmonary concentrations of colistin (administered as an inactive prodrug, colistin methanesulfonate or CMS) and gentamicin according to the route of administration (nebulization and intravenous infusion) in critically ill patients with VAP.Intra-pulmonary concentrations of colistin and gentamicin were 10 to 40-fold and 50 to 70-fold much higher after nebulization than after the same dose by intravenous route, respectively. Nebulization has also the theoretical potential advantage to improve patients' safety in relation to the colistin biodisponibility lower than 10%.With high intra-pulmonary concentrations and very low systemic absorption, CMS and gentamicin nebulization may be good alternatives to intravenous infusion for VAP treatment.

The extensive and sometimes incorrect and noncompliant use of various types of antimicrobial agents has accelerated the development of antimicrobial resistance (AMR). In fact, AMR has become one of the greatest global threat to human health in this era. The broad-spectrum antibiotics aminoglycosides (AGs) display excellent potency against most Gram-negative bacteria, mycobacteria, and some Gram-positive bacteria, such as Staphylococcus aureus. The AG antibiotics amikacin, gentamicin, kanamycin, and tobramycin are still commonly prescribed in the U.S.A. for the treatment of serious infections. Unfortunately, bacteria evolve to acquire resistance to AGs via four different mechanisms: i) changing in membrane permeability to resist drugs from entering, ii) upregulating efflux pumps for active removal of intracellular AGs, iii) modifying the antimicrobial target(s) to prevent drugs binding to their targets, and iv) acquiring resistance enzymes to chemically inactivate the compounds. Amongst all, the acquisition of resistance enzymes, AG-modifying enzymes (AMEs), is the most common resistance mechanism identified. Depending on the chemistry each enzyme catalyzes, AMEs can be further divided into AG N-acetyltransferases (AACs), AG O-phosphotransferases (APHs), and AG O-nucleotidyltransferases. To overcome AME-related resistance, we need to better understand these resistance enzymes and further seek ways to either escape or inhibit their actions. In this dissertation, I summarized my efforts to characterize the AAC(6') domain and its mutant enzymes from a bifunctional AME, AAC(6')-Ie/APH(2")-Ia as well as another common AME, APH(3')-IIa. I also explained my attempt to inhibit the action of various AAC enzymes using metal salts. In an effort to explore the current resistance epidemic, I evaluated the resistance against carbapenem and AG antibiotics and the correlation between the resistance profiles and the AME genes in a collection of 122 Pseudomonas aeruginosa clinical isolates obtained from the University of Kentucky Hospital System. Besides tackling the resistance mechanisms in bacteria, I have also attempted to explore a new antifungal option by repurposing an existing antipsychotic drug, bromperidol, and a panel of its derivatives into a combination therapy with the azole antifungals against a variety of pathogenic yeasts and filamentous fungi.

La séparation d'énantiomères suscite un vif intérêt pour les industries pharmaceutiques, chimiques et agroalimentaires. Les dérivés lipophiles de la néamine ont été utilisés en tant que nouveaux ligands en chromatographie chirale par échange de ligands. Ce travail s'est attaché à étudier les propriétés énantiosélectives des dérivés lipophiles de la néamine en CLHP et en EC. Des dérivés de la néamine (néamine 4'-mono C18, néamine 5-mono C18, néamine 6-mono C18, néamine 3',6-di C18, néamine 4',5-di C18, ou néamine 3′,6-di méthylnaphthalène), ont été synthétisés au sein de notre laboratoire et immobilisés de manière non covalente sur des supports chromatographiques de type C18 et graphite poreux et utilisés avec succès en CCEL pour séparer divers couples d'énantiomères d'acides aminés, de nucléosides et de dipeptides. Néanmoins, certaines molécules hydrophobes, comme le tryptophane, sont éluées trop tardivement et par conséquent, ne sont pas détectables. Pour remédier à ce problème, nous avons considéré la propriété de la néamine 4'-mono C18 à former des micelles, et avons envisagé son utilisation en MEKC. Les énantiomères du tryptophane sont séparés en moins de cinq minutes. Les effets de différentes conditions (concentration du sélecteur chiral, addition de méthanol dans le tampon de migration) sur le temps de migration ont été évalués. Cette méthode d'analyse a ensuite été testée avec succès sur d'autres analytes hydrophobes tels que le 1-méthyl-tryptophane, la 3,5-diiodo-tyrosine et la 1-naphtyl-alanine.

<p>Degradation of the mRNA 3'-end located poly(A) tail is an important step for mRNA decay in mammalian cells. Thus, to understand mRNA decay in detail, it is important to identify the catalytic activities involved in degrading poly(A). We identified and purified a 54-kDa polypeptide responsible for poly(A)-specific 3' exonuclease activity in calf thymus extracts. The 54-kDa polypeptide is a proteolytic fragment of the poly(A)-specific ribonuclease (PARN) 74-kDa polypeptide. PARN is a divalent metal ion dependent, poly(A)-specific, oligomeric, processive and cap interacting 3' exonuclease. An active deadenylation complex, consisting of the poly(A)-tailed RNA substrate and PARN, has been identified. The interaction with the 5'-end cap structure stimulates PARN activity and also amplifies the processivity of the deadenylation reaction. Furthermore, the cap binding site and the active site of PARN are separate from each other. To characterise the active site of PARN, we per-formed side-directed mutagenesis, Fe²⁺-mediated hydroxyl radical cleavage and metal ion switch experiments. We have demonstrated that the conserved acidic amino acid residues D28, E30, D292 and D382 of human PARN are essential for PARN activity and that these amino acid residues are directly involved in the co-ordination of at least two metal ions in the active site of PARN. Phosphorothioate modification on RNA substrates revealed that the pro-R oxygen atom of the scissile phosphate group interacts directly with the metal ion(s). Based on our studies, we propose a model for the action of PARN. Similarly to what has been observed for ribozymes, aminoglycoside antibiotics inhibit PARN activity, most likely by the displacement of catalytically important divalent metal ions. Among the aminoglycoside antibiotics tested, neomycin B is the most potent inhibitor. We speculate that inhibition of enzymes using similar catalytic mechanisms as PARN could be a reason for the toxic side effects caused by aminoglycoside antibiotics in clinical practice. </p>