Responsables : Pauline Macheboeuf et Carlos Contreras-Martel
L’émergence de souches bactériennes pathogènes multirésistantes représente un défi majeur pour la médecine moderne. L’incidence des « superbactéries » — des micro-organismes résistants à la majorité des antibiotiques actuellement disponibles — augmente à un rythme alarmant. Aux États-Unis et en Europe, cinq agents pathogènes bactériens sont responsables de la majorité des infections nosocomiales. Regroupés sous l’acronyme « ESKAPE » — Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa et les espèces Enterobacter — ces organismes doivent leur nom à leur capacité croissante à « échapper » aux traitements antibiotiques existants.
Des données récentes indiquent que, dans plusieurs pays européens, plus de 70 % des isolats bactériens pathogènes présentent une résistance à au moins un antibiotique actuellement utilisé en clinique. De manière préoccupante, malgré la menace croissante que représente la résistance aux antimicrobiens pour la santé publique, la plupart des grandes entreprises pharmaceutiques ont considérablement réduit, voire complètement abandonné, leurs efforts dans la recherche de nouveaux antibiotiques. Par conséquent, il existe un besoin médical urgent de développer de nouveaux agents antibactériens capables de lutter contre ces bactéries résistantes.
La paroi bactérienne est principalement constituée de peptidoglycane (PG), un polymère tridimensionnel formé de sous-unités disaccharidiques reliées entre elles par des tiges pentapeptidiques. Ce réseau confère à la cellule bactérienne sa forme, lui permet de résister à la pression osmotique et joue un rôle essentiel dans la division cellulaire. En raison de son importance vitale et de son absence chez les eucaryotes, le PG constitue depuis plusieurs décennies une cible privilégiée pour le développement de nouveaux antibiotiques.
Notre recherche se concentre sur deux étapes distinctes de la biosynthèse du PG chez les bactéries à Gram négatif :
• La synthèse du précurseur cytoplasmique du PG, assurée par le complexe enzymatique des ligases Mur, ainsi que son recrutement dynamique par les machineries de synthèse de la paroi, aux différentes étapes du cycle cellulaire bactérien.
• Le développement de nouvelles molécules inhibitrices ciblant les penicillin-binding proteins (PBP), impliquées dans les étapes terminales de l’assemblage périplasmique du PG.
Les Mur ligases
Les protéines impliquées dans la biosynthèse du PG s’organisent en complexes multiprotéiques qui coordonnent les processus d’élongation et de division cellulaire. L’inhibition ou la dérégulation de ces protéines entraîne des altérations morphologiques, souvent suivies de lyse et de mort cellulaire. Parmi elles, les protéines cytoplasmiques de type Mur ont été proposées comme formant des complexes fonctionnels, une hypothèse appuyée par le fait que, chez de nombreuses bactéries, les gènes mur, organisés en opérons hautement conservés, ont fusionné pour coder des protéines chimériques.
Une analyse génomique menée sur plus de 140 génomes bactériens nous a permis de caractériser, en particulier, la chimère MurE-MurF de Bordetella pertussis, par cristallographie aux rayons X et polarisation de fluorescence. L’architecture allongée de cette chimère révèle une proximité des deux sites actifs, et nos données d’interaction suggèrent que MurE-MurF peut interagir avec d’autres ligases Mur via ses domaines centraux (Shirakawa et al., PNAS, 2023). Ces résultats mettent en évidence de fortes contraintes évolutives favorisant le maintien d’une proximité génomique entre les gènes, en particulier lorsque les protéines codées interagissent physiquement. Cela établit un lien entre l’assemblage des ligases Mur en complexes fonctionnels et l’évolution des génomes bactériens. En plus de révéler l’interface moléculaire entre les sous-unités MurE et MurF, cette étude ouvre la voie à l’élucidation de la structure complète du complexe de ligases Mur.
Par ailleurs, le complexe des ligases Mur doit être orienté vers l’élongasome ou le divisome, deux structures en compétition pour l’utilisation des précurseurs du PG à différents stades de la croissance bactérienne. Nous avons découvert que certains gènes mur sont fusionnés à des gènes de division cellulaire, conduisant à la production de protéines chimériques associant physiquement les complexes Mur et le divisome. Une meilleure compréhension de l’architecture et de la dynamique de ces complexes au sein de la cellule bactérienne ouvre la voie à l’identification de nouvelles cibles pour le développement d’agents antibactériens innovants.
Les penicillin-binding proteins (PBP)
Les PBP catalysent les dernières étapes de la biosynthèse du PG et constituent les cibles des antibiotiques de la famille des bêta-lactamines, tels que la pénicilline. Cependant, face au développement croissant de l’antibiorésistance, il devient essentiel de rechercher en permanence de nouvelles molécules capables d’inhiber efficacement les PBP. L’élaboration de ces inhibiteurs repose sur une approche structurale, fruit d’une collaboration étroite entre des chimistes et notre équipe. Ce travail comprend la synthèse chimique de nouvelles molécules, l’évaluation de leurs interactions avec les PBP, ainsi que l’analyse cristallographique des complexes formés. Ces données permettent de mieux comprendre les mécanismes d’interaction et d’améliorer la sélectivité des inhibiteurs candidats.
Dans nos travaux précédents, nous avons apporté une contribution majeure à ce domaine en publiant de nombreuses structures cristallographiques de protéines de liaison à la pénicilline (PBPs) en complexe avec divers ligands. Ces données structurales, obtenues en partie grâce à des collaborations fructueuses avec plusieurs groupes de chimie médicinale à travers le monde, ont largement soutenu le développement de nouvelles molécules inhibitrices. Nos recherches se sont principalement concentrées sur la PBP1b de Streptococcus pneumoniae, étudiée en interaction avec différents antibiotiques ainsi qu’avec des sondes biochimiques telles que des pseudo-substrats, des lactivicines, des boronates et des β-lactones. Les PBPs représentent des cibles thérapeutiques de choix pour plusieurs raisons fondamentales : (1) elles sont essentielles à la survie bactérienne ; (2) leur substrat naturel, le peptidoglycane, est spécifique aux bactéries ; et (3) elles ne possèdent pas d’homologue chez l’Homme, réduisant ainsi les risques d’effets secondaires hors cible. De plus, notre laboratoire a résolu de nombreuses structures cristallines de PBP, fournissant une base solide pour la modélisation in silico et la conception rationnelle de nouveaux inhibiteurs à visée thérapeutique.
Notre objectif actuel est donc de concevoir de nouveaux agents antimicrobiens en s’appuyant sur des données structurales expérimentales à haute résolution de complexes PBP–inhibiteurs. Ces complexes sont issus à la fois de pathogènes à Gram négatif du groupe ESKAPE, et de notre modèle à Gram positif, S. pneumoniae. Cette approche structure-guidée vise à identifier des inhibiteurs innovants, capables de contourner les mécanismes d’antibiorésistance, en ciblant spécifiquement les PBPs essentiels de ces bactéries.