Thibaut Barbier

Les travaux présentés dans ce manuscrit décrivent la recherche de molécules anti-infectieuses ciblant respectivement la protéine FtsZ de Staphylococcus aureus et la protéase majeure de SARS-CoV-2. Une stratégie pour lutter contre les pathogènes antibiorésistants est de développer des molécules ayant un nouveau mécanisme d’action. FtsZ, protéine essentielle de la division bactérienne, est donc une cible de choix. Deux approches ont été utilisées pour identifier de nouveaux inhibiteurs de cette protéine. D’une part, des composés portant un motif 2,6-difluorobenzamide, pharmacophore récurrent chez les inhibiteurs de FtsZ, ont été développés. D’autre part, le criblage virtuel par docking au sein de la poche allostérique de FtsZ de deux chimiothèques a été réalisé. Les hits potentiels ont été synthétisés et testés, permettant en particulier d’identifier des dérivés benzo[b]thiophènes présentant une activité antibactérienne. L’action sur le divisome et la cytotoxicité des meilleurs composés issus de chaque démarche ont été évaluées. La recherche de nouveaux antiviraux pour lutter contre la pandémie de COVID-19 causée par le SARS-CoV-2 a été au cœur de nombreuses études depuis deux ans. La protéase majeure (MPro) est une cible pertinente car elle est indispensable à la réplication virale. Deux études de criblage virtuel par docking ont été entreprises pour identifier de potentiels inhibiteurs de cette protéase. La première a été réalisée sur des chimiothèques d’électrophiles mous pouvant agir comme inhibiteurs covalents. La deuxième visait quant à elle à trouver des molécules potentiellement actives sur SARS-CoV-2 parmi une chimiothèque d’inhibiteurs connus de la protéase majeure du coronavirus aviaire. La stabilité des complexes entre les inhibiteurs non-covalents potentiels et la protéine a ensuite été étudiée par dynamique moléculaire.

Remarkable structural homologies between the main proteases of the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and the avian infectious bronchitis virus (IBV) were revealed by comparative amino-acid sequence and 3D structural alignment. Assessing whether reported IBV 3CLPro inhibitors could also interact with SARS-CoV-2 has been undertaken in silico using a PubChem BioAssay database of 388 compounds active on the avian infectious bronchitis virus 3C-like protease. Docking studies of this database on the SARS-CoV-2 protease resulted in the identification of four covalent inhibitors targeting the catalytic cysteine residue and five non-covalent inhibitors for which the binding was further investigated by molecular dynamics (MD) simulations. Predictive ADMET calculations on the nine compounds suggest promising pharmacokinetic properties.

A conformational analysis and molecular docking study comparing 2,6-difluoro-3-methoxybenzamide (DFMBA) with 3-methoxybenzamide (3-MBA) has been undertaken for investigating the known increase of FtsZ inhibition related anti S. aureus activity due to fluorination. For the isolated molecules, the calculations reveal that the presence of the fluorine atoms in DFMBA is responsible for its non-planarity, with a dihedral angle of -27° between the carboxamide and the aromatic ring. When interacting with the protein, the fluorinated ligand can thus more easily adopt the non-planar conformation found in reported co-crystallized complexes with FtsZ, than the non-fluorinated one. Molecular docking studies of the favored non-planar conformation of 2,6-difluoro-3-methoxybenzamide highlights the strong hydrophobic interactions between the difluoroaromatic ring and several key residues of the allosteric pocket, precisely between the 2-fluoro substituent and residues Val203 and Val297 and between the 6-fluoro group and the residues Asn263. The docking simulation in the allosteric binding site also confirms the critical importance of the hydrogen bonds between the carboxamide group with the residues Val207, Leu209 and Asn263. Changing the carboxamide functional group of 3-alkyloxybenzamide and 3-alkyloxy-2,6-difluorobenzamide to a benzohydroxamic acid or benzohydrazide led to inactive compounds, confirming the importance of the carboxamide group.

Five series of heterocyclic tripartite 2,6-difluorobenzamides, namely 1,2,3-triazoles, 1,2,4- and 1,3,4-oxadiazoles, analogs of reported model anti-staphylococcal compounds, were prepared. The purpose was to investigate the influence of the nature of the heterocyclic central scaffold on the biological activity against three strains of S. aureus, including two drug-resistant ones. Among the 15 compounds of the new collection, a 3-(4-tert-butylphenyl)-1,2,4-oxadiazole linked via a methylene group with a 2,6-difluorobenzamide moiety (II.c) exhibited a minimal inhibitory concentration between 0.5 and 1 µg/mL according to the strain. Subsequent studies on II.c demonstrated no human cytotoxicity, while targeting the bacterial divisome.

The benzo[b]thiophene nucleus and the acylhydrazone functional group were combined to prepare three new series of compounds for screening against Staphylococcus aureus. The reaction of substituted benzo[b]thiophene-2-carboxylic hydrazide and various aromatic or heteroaromatic aldehydes led to a collection of 26 final products with extensive structural diversification on the aromatic ring and on position 6 of the benzo[b]thiophene nucleus. The screening lead to the identification of eight hits, including (E)-6-chloro-N’-(pyridin-2-ylmethylene)benzo[b]thiophene-2-carbohydrazide (II.b), a non-cytotoxic derivative showing a minimal inhibitory concentration of 4 µg/mL on three S. aureus strains, among which were a reference classical strain and two clinically isolated strains resistant to methicillin and daptomycin, respectively.