Bioactivity profiling and mode of action studies of antibacterial and antibiofilm agents of marine origin

Abstract

<p>The emergence of drug-resistant strains and new pathogens intensifies the need for new antimicrobials. Additionally, bacterial biofilms, which contribute to persistent infections, further complicate treatment efforts. The increasing difficulty in discovering and developing new antimicrobials adds to this challenge. However, marine environments, with their vast biodiversity, offer a promising avenue for antibiotic discovery, particularly through natural products synthesized by marine microorganisms. These organisms are a rich source of novel bioactive secondary metabolites with potential therapeutic applications. Additionally, synthetic mimics of antimicrobial peptides represent another promising direction in the quest for new antimicrobials. <p>Paper I elucidate the structure-activity relationship of cationic amphipathic N,N'-dialkylated-5,5-disubstituted barbiturates as marine eusynstyelamide mimics, investigating their potential as antimicrobial agents. The library of 58 compounds, synthesized through a strategic approach, demonstrated the significance of cationic groups, hydrocarbon linkers, and lipophilic side chains on antimicrobial and haemolytic activities. Notably, guanidyl and amine groups showed broad-spectrum activity, while trimethylated quaternary amines were more selective for Gram-positive bacteria. The compounds, especially 11lG, 13jA, and 13jG, showed potent antimicrobial effects with low haemolytic activity, with the guanidine derivative 11lG significantly disrupting bacterial membranes. <p>In paper II, the investigation into tetrasubstituted, cationic, amphipathic heterocycles as antimicrobial peptide (AMP) mimics identified hydantoin as a favourable scaffold, influencing haemolytic activity and antimicrobial potency. Among the hydantoin derivatives studied, three leads (2dA, 6cG, and 6dG) exhibited promising broad-spectrum activity, with 6dG showing notably low minimum inhibitory concentration values. The mode of action studies revealed a pronounced membranolytic effect on the inner and outer bacterial membranes, emphasizing the importance of structural arrangement in AMP mimics. <p>In paper III, the antibiofilm capabilities and in vivo efficacy of these peptidomimetics were explored using a zebrafish model, discovering that 13iA and 2cA presented remarkable biofilm inhibition and eradication potentials, along with moderate activity against resistant clinical isolates. Their lack of toxicity, immunogenicity, and promising in vivo antibacterial activity in the zebrafish model up to 16 mg/kg dose showcases their potential as templates for new antibiotics against antimicrobial resistance (AMR). <p>In paper IV, the bioprospecting work focused on Arctic marine bacterial isolates from various habitats near Tromsø and towards the North Pole indicated the presence of biosynthetic gene clusters (BGCs) with antimicrobial activity. Of the 158 isolates, 65 exhibited antibacterial activity, and 37 confirmed the presence of nonribosomal peptide synthetase (NRPS) or polyketide synthase (PKS) BGCs, with genome sequencing and mining unveiling multiple BGCs. Seven of these isolates displayed activity against both Gram-positive and Gram-negative pathogens and contained NRPS or PKS BGCs, advancing them as promising sources of novel antimicrobial agents. <p>These combined efforts contribute valuable insights into the design and discovery of new antimicrobials, addressing the urgent global challenge of AMR with innovative solutions derived from marine bioprospecting and synthetic peptidomimetic chemistry.

<p>Fremveksten av antibiotika-resistente bakteriestammer og nye patogener øker behovet for nye antimikrobielle midler. Bakterier som danner biofilm kompliserer dette ytterligere da biofilm bidrar til vedvarende infeksjoner som er utfordrende å behandle. Marine miljøer representerer et enormt biologisk mangfold og unike naturstoffer som kan være et lovende utgangspunkt for å oppdage nye antibiotiske forbindelser. Særlig de marine mikroorganismene representerer en rik kilde til nye bioaktive sekundære metabolitter som kan ha mulige terapeutiske anvendelser. Dersom vi er i stand til å lage syntetiske etterligninger av for eksempel antimikrobielle peptider (AMP), representerer dette en annen lovende retning i utviklingen av nye antibiotika. <p>Artikkel I belyses sammenhengen mellom struktur og aktivitet til kationiske amfipatiske N,N'-dialkylerte-5,5-disubstituerte barbiturater som etterligner marine eusynstyelamider, og ser på deres potensial som antimikrobielle midler. Testing av et bibliotek bestående av 58 syntetiserte forbindelser, demonstrerte betydningen av ulike kationiske grupper, hydrokarbon-bindinger og lipofile sidekjeder for den antimikrobielle og hemolytiske aktiviteten. Spesielt viste forbindelser med guanidyl- og aminogrupper en bredspektret aktivitet, mens trimetylerte kvarternære aminer var mer selektive for Gram-positive bakterier. Særlig forbindelsene 11lG, 13jA og 13jG, viste potente antimikrobielle effekter og samtidig en ønskelig lav hemolytisk aktivitet. Guanidinderivatet 11lG viste signifikant ødeleggelse av bakterielle membraner. <p>I artikkel II, undersøkes det om nye AMP-analoger påvirker den hemolytiske og antimikrobielle aktiviteten. Dette ble utført ved å syntetisere en kombinasjon av tetrasubstituerte, kationiske, amfipatiske heterosykler som hydantoin-strukturer. Av hydantoin-derivatene som ble studert, gav tre forbindelser (2dA, 6cG og 6dG) best lovende bredspektret aktivitet, mens 6dG viste lavest minimale hemmende konsentrasjonsverdier. Virkningsmåtestudier avslørte at romlig arrangement av de kjemiske komponentene i strukturen på AMP-etterligningene hadde avgjørende betydning for lytisk effekt på både de indre og ytre bakteriemembranene. <p>I artikkel III ble antibiofilmegenskapene og in vivo-effektiviteten til disse peptidomimetikaene utforsket ved å bruke en sebrafiskmodell. Da ble det oppdaget at forbindelsene 13iA og 2cA både kunne hemme og fjerne bakteriell biofilm, samtidig som de viste moderat aktivitet mot resistente kliniske bakterieisolater. Stoffenes mangel på toksisitet og immunogenisitet, men samtidig lovende in vivo antibakteriell aktivitet (vist med sebrafiskmodellen), tyder på at deres struktur har et potensial som nye antibiotika mot antibiotika-resistente bakterier. <p>I artikkel IV, kunne vi med bioprospektering på arktiske marine bakterieisolater fra ulike habitater nær Tromsø og mot Nordpolen, vise at disse både hadde biosyntetiske genklynger (BGC) og antimikrobiell aktivitet. Av de 158 isolatene som ble testet, viste 65 antibakteriell aktivitet, 37 hadde gener som kodet for ikke-ribosomal peptidsyntetase (NRPS) eller polyketidsyntase (PKS) BGCs og i tillegg flere typer av BGCer. Syv av disse 158 isolatene viste både aktivitet mot både Gram-positive og Gram-negative patogene bakterier og inneholdt NRPS eller PKS BGCer. Disse stammene representerer dermed lovende utgangspunkt for videre studier for identifiseringen og karakteriseringen av nye antimikrobielle midler. <p>Forskning som kombinerer bruk av ulike teknikker og angriper fra ulike vinkler, bidrar med verdifull innsikt i utformingen og oppdagelsen av nye antimikrobielle stoffer, og kan dermed adressere den globale utfordringen med antimikrobiell resistens med innovative løsninger avledet fra marin bioprospektering og syntetisk peptidomimetisk kjemi.