@phdthesis{Schiebel2013,
  author    = {Schiebel, Johannes},
  title     = {Structure-Based Drug Design on Enzymes of the Fatty Acid Biosynthesis Pathway},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-69239},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {W{\"a}hrend die Wirkung der meisten gebr{\"a}uchlichen Antibiotika auf einer Beeintr{\"a}chtigung wichtiger bakterieller Prozesse beruht, wirken manche Substanzen durch die St{\"o}rung der Zellmembran-Struktur. Da Fetts{\"a}uren ein essentieller Bestandteil von Membran-Phospholipiden sind, stellt die bakterielle Fetts{\"a}urebiosynthese II (FAS-II) einen relativ wenig erforschten, aber dennoch vielversprechenden Angriffspunkt f{\"u}r die Entwicklung neuer Antibiotika dar. Das wichtige Antituberkulotikum Isoniazid blockiert die mykobakterielle Fetts{\"a}urebiosynthese und ruft dadurch morphologische {\"A}nderungen sowie letztlich die Lyse des Bakteriums hervor. Eine wichtige Erkenntnis war, dass Isoniazid den letzten Schritt des FAS-II Elongationszyklus inhibiert, der durch die Enoyl-ACP Reduktase katalysiert wird. Darauf aufbauend wurden mehrere Programme ins Leben gerufen, die sich zum Ziel gesetzt hatten, neue Molek{\"u}le zu entwickeln, welche dieses Protein verschiedener Pathogene hemmen. Die S. aureus Enoyl-ACP Reduktase (saFabI) ist von besonders großem Interesse, da drei vielversprechende Inhibitoren dieses Proteins entwickelt werden konnten, die momentan in klinischen Studien eingehend untersucht werden. Trotz dieser Erfolgsaussichten waren zum Zeitpunkt, als die vorliegenden Arbeiten aufgenommen wurden, keine Kristallstrukturen von saFabI {\"o}ffentlich verf{\"u}gbar. Daher war es eines der Hauptziele dieser Doktorarbeit, auf der Basis von kristallographischen Experimenten atomar aufgel{\"o}ste Modelle f{\"u}r dieses wichtige Protein zu erzeugen. Durch die Entwicklung einer verl{\"a}sslichen Methode zur Kristallisation von saFabI im Komplex mit NADP+ und Diphenylether-Inhibitoren konnten Kristallstrukturen von 17 verschiedenen tern{\"a}ren Komplexen gel{\"o}st werden. Weitere kristallographische Experimente ergaben zwei apo-Strukturen sowie zwei Strukturen von saFabI im Komplex mit NADPH und 2-Pyridon-Inhibitoren. Basierend auf der nun bekannten saFabI-Struktur konnten Molekulardynamik-Simulationen durchgef{\"u}hrt werden, um zus{\"a}tzliche Erkenntnisse {\"u}ber die Flexibilit{\"a}t dieses Proteins zu erhalten. Die so gewonnenen Informationen {\"u}ber die Struktur und Beweglichkeit des Enzyms dienten in Folge als ideale Grundlage daf{\"u}r, den Erkennungsprozess von Substrat und Inhibitor zu verstehen. Besonders bemerkenswert dabei ist, dass die verschiedenen saFabI Kristallstrukturen Momentaufnahmen entlang der Reaktionskoordinate der Ligandenbindung und des Hydrid-Transfers repr{\"a}sentieren. Dabei verschließt der so genannte Substratbindungsloop das aktive Zentrum des Enzyms allm{\"a}hlich. Die außergew{\"o}hnlich hohe Mobilit{\"a}t von saFabI konnte durch molekulardynamische Simulationen best{\"a}tigt werden. Dies legt nahe, dass die beobachteten {\"A}nderungen der Konformation tats{\"a}chlich an der Aufnahme und Umsetzung des Substrates beteiligt sind. Eine Kette von Wassermolek{\"u}len zwischen dem aktiven Zentrum und einer wassergef{\"u}llten Kavit{\"a}t im Inneren des Tetramers scheint f{\"u}r die Beweglichkeit des Substratbindungsloops und somit f{\"u}r die katalysierte Reaktion von entscheidender Bedeutung zu sein. Außerdem wurde die erstaunliche Beobachtung gemacht, dass der adaptive Substratbindungsprozess mit einem Dimer-Tetramer {\"U}bergang gekoppelt ist, welcher die beobachtete positive Kooperativit{\"a}t der Ligandenbindung erkl{\"a}ren kann. Alles in allem weist saFabI im Vergleich zu FabI Proteinen aus anderen Organismen mehrere außergew{\"o}hnliche Eigenschaften auf, die f{\"u}r die Synthese von verzweigten Fetts{\"a}uren n{\"o}tig sein k{\"o}nnten, welche wiederum f{\"u}r die {\"U}berlebensf{\"a}higkeit von S. aureus im Wirt von Bedeutung sind. Diese Erkenntnis k{\"o}nnte erkl{\"a}ren, warum S. aureus selbst bei Anwesenheit von exogenen Fetts{\"a}uren von FAS-II Inhibitoren abget{\"o}tet werden kann. Somit k{\"o}nnen die gewonnenen atomaren saFabI Modelle einen entscheidenden Beitrag zur Entwicklung neuer Hemmstoffe dieses validierten Angriffszieles leisten. Tats{\"a}chlich konnten die neuen Strukturen genutzt werden, um die Bindungsst{\"a}rken sowie die Verweilzeiten verschiedener saFabI Inhibitoren molekular zu erkl{\"a}ren. Die Struktur von saFabI im Komplex mit dem 2-Pyridon Inhibitor CG400549 hingegen enth{\"u}llte spezifische Wechselwirkungen in der geweiteten Bindetasche des S. aureus Enzyms, welche das geringe Aktivit{\"a}tsspektrum dieses derzeit klinisch erprobten Inhibitors erkl{\"a}ren. Diese Studien schaffen somit eine ideale Voraussetzung f{\"u}r die Entwicklung neuer wirksamer saFabI Inhibitoren, was am Beispiel des 4-Pyridons PT166 belegt werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation konnten außerdem die Strukturen des Enzyms KasA im Komplex mit mehreren Derivaten des Naturstoffs Thiolactomycin gel{\"o}st werden.},
  subject      = {Staphylococcus aureus},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Diwischek2008,
  author    = {Diwischek, Florian},
  title     = {Development of synthesis pathways and characterization of cerulenin analogues as inhibitors of the fatty acid biosynthesis of Mycobacterium tuberculosis and of efflux pump resistant Candida albicans},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-27532},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {The work deals with the synthesis and characterization of cerulenin analogues as inhibitors of efflux pump mediated resistance of Candida albicans isolates and as inhibitors of the fatty acid synthesis enzyme KasA of Mycobacterium tuberculosis. Cerulenin was chosen as the lead structure, being a substrate of the efflux pumps in Candida albicans on one hand and therefore variations on the structure could lead to a blocking of the efflux pumps as in the case of tetracycline and inhibitor 13-CPTC of the TetB efflux pump. On the other hand, cerulenin is a known inhibitor of the FAS system but inhibition is unselective in type I and II FAS. Therefore, analogues could result in increased selectivity towards the type II FAS system in M. tuberculosis. The first cerulenin derivatives were prepared by coupling 2,3-dihydrofuran to the before synthesized 1-octaniodide, followed by ring opening and oxidation in one step by chromic acid and transfer of the resulting 4-keto acid to amides to give analogues 4a-d, 4e was prepared in analogy. To include the epoxide function especially with regard to the mechanism of action of cerulenin in the FAS system (considering known crystal structures of cerulenin and the KasA analogue of E. coli) tetrahydro- and dihydrocerulenin analogues were synthesized. Starting from the corresponding aldehyde, lactone 5 (tetrahydrocerulenin analogues) was obtained via two different routes A and B. Route A included the coupling of the aldehyde 1-nonanal to propiolic acid via a Grignard reaction with subsequent hydrogenation with the Lindlar catalyst under hydrogen pressure to give 5. Via Route B 1-nonanal was coupled to methyl propiolate by n-BuLi with subsequent hydrogenation under reflux with the catalytic system Lindlar cat./NH4HCO2 to yield 5. These hydrogenations were also executed in a microwave oven resulting in better yields and/or reaction times. The lactone 5 was then epoxidized, the ring opened by amidation and the remaining alcohol was oxidized via Collins oxidation to result in tetrahydrocerulenin analogues 8a-e. The same procedure was used for dihydrocerulenin analogues 10a-c except that to obtain the corresponding lactone 9a only route A was used and a further step had to be executed for ring closure. To obtain analogues with all structural features of cerulenin including two double bonds and the epoxide function, a third pathway was chosen. To obtain the future side chain, aldehyde 12 was synthesized by coupling protected 4-pentyn-1-ol to either crotyl bromide or crotyl chloride, which then was deprotected, hydrogenated with Lindlar catalyst under hydrogen pressure and oxidized via a Swern oxidation. The following synthesis sequence starting from 12 was executed similar to that of dihydrocerulenins via the corresponding lactone (51) with the major exception of the oxidation procedure in the last step via TPAP/NMO to result in (4Z,7E)-cerulenin analogues 15a-b. A fourth class of cerulenin analogues was synthesized with the aromatic analogues 17a-e. This synthesis pathway started with the formation of the benzoyl acrylamides 16a-e from benzoylacrylic acid via a mixed anhydride which was prepared with isobutylchloroformate followed by the addition of the corresponding amine. Subsequent epoxidation with H2O2 in basic EtOH gave the aromatic cerulenin analogues 17a-e. Pharmacological testings for the synthesized substances were executed on efflux pump-resistant and -sensitive Candida albicans isolates, on the fatty acid synthesis enzyme KasA of Mycobacterium tuberculosis and on other organisms such as Leishmania major, Trypanosoma brucei brucei, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa within the Sonderforschungsbereich 630.},
  subject      = {Organische Synthese},
  language  = {en}
}