Genome-wide mutant profiling predicts the mechanism of a Lipid II binding antibiotic

Abstract

Identifying targets of antibacterial compounds remains a challenging step in antibiotic development. We have developed a two-pronged functional genomics approach to predict mechanism of action that uses mutant fitness data from antibiotic-treated transposon libraries containing both upregulation and inactivation mutants. We treated a Staphylococcus aureus transposon library containing 690,000 unique insertions with 32 antibiotics. Upregulation signatures, identified from directional biases in insertions, revealed known molecular targets and resistance mechanisms for the majority of these. Because single gene upregulation does not always confer resistance, we used a complementary machine learning approach to predict mechanism from inactivation mutant fitness profiles. This approach suggested the cell wall precursor Lipid II as the molecular target of the lysocins, a mechanism we have confirmed. We conclude that docking to membrane-anchored Lipid II precedes the selective bacteriolysis that distinguishes these lytic natural products, showing the utility of our approach for nominating antibiotic mechanism of action.

Thinking Outside the Box—Novel Antibacterials To Tackle the Resistance Crisis

“…This platform was previously proven to be avaluable tool for the assessment of toxicity and antibacterial efficacyo fp rimary hits. [160] Theauthors developed anovel genomewide mutant profiling approach that allows the identification of the MoAs of novel antibiotics.T ov alidate their platform, they applied it to an uncharacterized natural product sample. The peptide shows low toxicity against mammals (intraperitoneal administration of 400 mg per kg body was tolerated in mice) as well as excellent in vivo effects in amouse intraperitoneal infection model with S. aureus (subcutaneous administration, ED 50 :0 .5 mg per kg body weight).…”

“…The peptide shows low toxicity against mammals (intraperitoneal administration of 400 mg per kg body was tolerated in mice) as well as excellent in vivo effects in amouse intraperitoneal infection model with S. aureus (subcutaneous administration, ED 50 :0 .5 mg per kg body weight). [160] Future studies will reveal if menaquinone and lipid II are both able to bind lysocin E simultaneously in an oncompetitive manner and will give further insights into the exact MoA of lysocin natural products. Together with the strong bactericidal activity,t his directed the authors towards am echanism of membrane disruption.…”

Über bisherige Denkweisen hinaus – neue Wirkstoffe zur Überwindung der Antibiotika‐Krise

“…Diese Plattform hat sich schon früher als eine wertvolle Methode zur Bestimmung der Toxizitätu nd der antibakteriellen Eigenschaften von primären Hits erwiesen. [160] Die Autoren entwickelten einen neuartigen Ansatz eines genomweiten Mutanten-Profilings, der es ermçglicht, den Wirkmechanismus neuer Antibiotika zu bestimmen. Es wirkt auch gegen Methicillin-sensitive S. aureus-(MSSA) und MRSA-Stämme (MICs von 4 mgmL À1 ), ist jedoch inaktiv gegenüber Gram-negativen Bakterien.…”

“…[156,157] Das potenteste Derivat, Lysocin E( Abbildung 8), zeigt eine gute antibakterielle Wirksamkeit gegenüber Gram-positiven Erregern. [160] Zukünftige Untersuchungen werden den genauen Wirkmechanismus der Lysocine weiter aufklären und zeigen müssen, ob Menachinon und Lipid II gleichzeitig Lysocin Ei ne iner nichtkompetitiven Weise binden kçnnen. Das Peptid zeigt nur eine geringe Toxizitätg egenüber Säugetieren (eine intraperitoneale Verabreichung von 400 mg pro kg Kçrpergewicht wurde in Mäusen toleriert) und war in einem Mausmodell einer intraperitonealen Infektion mit S. aureus äußerst wirksam (subkutane Administration, ED 50 [81] Dieser ungewçhnliche Wirkmechanismus wurde durch die Totalsynthese von Lysocin Eu nd mehreren Derivaten bekräftigt.…”

“…[158,159] In einer jüngst erschienenen Untersuchung haben Santiago et al jedoch Hinweise dafürg efunden, dass Lipid II der molekulare Bindungspartner der Lysocine ist und diese Interaktion ursächlich fürd en bakteriolytischen Phänotyp ist. [160] [160] Zukünftige Untersuchungen werden den genauen Wirkmechanismus der Lysocine weiter aufklären und zeigen müssen, ob Menachinon und Lipid II gleichzeitig Lysocin Ei ne iner nichtkompetitiven Weise binden kçnnen.…”