Discovery, evaluation and optimization of new antimicrobials against multidrug resistant bacteria

Abstract

[eng] Antimicrobial resistance is a global problem, reducing the effectiveness of drugs used to treat infections caused by microorganisms. In 2019, antibiotic resistance is estimated to have caused 1.27 million deaths related to bacterial infections. The World Health Organization has stressed the importance of addressing this problem and looking for new antibiotics effective against multidrug-resistant bacteria. Antimicrobial peptides are molecules of the defense system of different organisms that they use to protect themselves from pathogens. They have antimicrobial properties and have been shown to be effective against multidrug-resistant bacteria. In this doctoral thesis project, antimicrobial peptides have been designed, optimized and developed, as well as antimicrobial peptides with photoswitchable structures. It is hypothesized that the design and optimization of these peptides by means of different strategies will produce structures with good antibacterial activity and low toxicity. In addition, the creation of a photoswitchable peptide that allows the control of antimicrobial activity in the environment and reduces the development of resistance is proposed. Specific objectives include the optimization of peptides derived from CAP-18 and optimization of a cyclic peptide based on protegrin-1 and called PLP-3, the evaluation of antimicrobial activity and toxicity, and the study of its effect on bacterial cells of all engineered peptides. It also seeks to analyze the antimicrobial activity of photochangeable analogues of thyrocidine A and their toxicity. The results show that the peptides derived from CAP-18 have a potent antimicrobial activity against multidrug-resistant strains of A. baumannii and P. aeruginosa, with a low toxicity and bactericidal effect. By viewing samples of these bacterial species under the action of CAP-18 derivatives, it is observed that these bacterial cells suffer damage to their membrane, consequent to an antimicrobial mechanism of action of membrane disruption. PLP-3 also demonstrates high antimicrobial activity against multidrug-resistant strains of A. baumannii, K. pneumoniae and P. aeruginosa, low toxicity at clinically relevant concentrations for pathogen inhibition and membrane permeabilization of A. baumannii and P. aeruginosa strains. The designed photoswitchable derivatives have effective antimicrobial activity against resistant bacteria, and their activity is precisely modulated by irradiation with red light and natural light, leading to their inactivation. These results suggest that photoswitchable antibiotics based on antimicrobial fungi could be a promising strategy for the development of new antimicrobial agents addressing the problem of the emergence of antibiotic resistance in environmental bacteria. These advances contribute to the development of new antibiotics effective against multidrug-resistant bacteria and address the problem of the spread of antimicrobial resistance.

[spa] La resistencia antimicrobiana es un problema global, que reduce la eficacia de los medicamentos utilizados para tratar infecciones causadas por microorganismos. En 2019, se estima que la resistencia a los antibióticos causó 1.27 millones de muertes relacionadas con infecciones bacterianas. La Organización Mundial de la Salud ha destacado la importancia de abordar este problema y buscar nuevos antibióticos efectivos contra bacterias multirresistentes. Los péptidos antimicrobianos son moléculas del sistema de defensa de diferentes organismos que utilizan para protegerse de patógenos. Tienen propiedades antimicrobianas y se ha demostrado su eficacia contra bacterias multirresistentes. En este proyecto de tesis doctoral, se han diseñado, optimizado y desarrollado péptidos antimicrobianos, así como péptidos antimicrobianos con estructuras fotoconmutables. Se plantea la hipótesis de que el diseño y optimización de estos péptidos mediante diferentes estrategias producirá estructuras con buena actividad antibacteriana y baja toxicidad. Además, se propone la creación de un péptido fotoconmutable que permita controlar la actividad antimicrobiana en el medio ambiente y reducir el desarrollo de resistencia. Los objetivos específicos incluyen la optimización de péptidos derivados de CAP-18 y optimización de un péptido cíclico basado en la protegrina-1 y llamado PLP-3, la evaluación de la actividad antimicrobiana y toxicidad, y el estudio de su efecto sobre las células bacterianas de todos los péptidos diseñados. También se busca analizar la actividad antimicrobiana de análogos fotoconmutables de tirocidina A y su toxicidad. Los resultados muestran que los péptidos derivados de CAP-18 tienen una potente actividad antimicrobiana contra cepas multirresistentes de A. baumannii y P. aeruginosa, con una baja toxicidad y efecto bactericida. Mediante el visionado de muestras de estas especies bacterianas bajo la acción de los derivados de CAP-18 se observa que estas células bacterianas sufren daños en su membrana, consecuentes con un mecanismo de acción antimicrobiana de disrupción de membrana. PLP-3 también demuestra gran actividad antimicrobiana contra cepas multirresistentes de A. baumannii, K. pneumoniae y P. aeruginosa, baja toxicidad a concentraciones clínicamente relevantes para la inhibición de patógenos y permeabilización de membrana de cepas de A. baumannii y P. aeruginosa. Los derivados fotoconmutables diseñados presentan actividad antimicrobiana efectiva contra bacterias resistentes, y su actividad es modulada de manera precisa mediante la irradiación con luz roja y luz natural, llevando a su inactivación. Estos resultados sugieren que los antibióticos fotoconmutables basados en podrían ser una estrategia prometedora para el desarrollo de nuevos agentes antimicrobianos abordando el problema de la aparición de resistencias a antibióticos en bacterias del medio ambiente. Estos avances contribuyen al desarrollo de nuevos antibióticos efectivos contra bacterias multirresistentes y abordan el problema de la diseminación de la resistencia antimicrobiana