Synthesis and characterization of new small-molecule ligands of LPS binding proteins.

The purpose of this work is the design, synthesis and characterization of new small molecules, active as ligands of two different lipopolysaccharide (LPS)-binding proteins. LPS, or bacterial endotoxin, is an amphiphilic macromolecule ubiquitous on the outer membrane of Gram-negative bacteria. The LPS binding proteins studied during this thesis project belong to two classes: the bacterial proteins of the Lpt transport machinery and the mammalian TLR4 receptor system, including the co-receptors LBP, CD14, MD-2. Lpt proteins, and in particular the protein LptC, are responsible for the export mechanism of LPS to the cell surface of Gram negative bacteria, which is a fundamental step of the LPS biosynthetic pathway. Therefore, the LPS biogenesis represents an ideal target for development of novel antibiotics against Gram-negative bacteria. Moreover, the structures of Lpt proteins have been elucidated, but very little is known about the mechanism of LPS transport. In this thesis work different techniques were used to study the interaction between LPS and LptC, particularly NMR binding studies. Moreover, a new fluorescent LPS was produced and it was used as a tool to perform LPS-LptC interaction studies with fluorescence techniques. Some new synthetic molecules were also developed during this thesis. Glycolipidic small molecules were designed and synthesized in order to obtain LptC ligands and, in perspective, potential antibiotics against Gram-negative bacteria. Toll-like receptor 4 (TLR4), the innate immunity receptor, recognizes LPS, helped by other proteins (LBP, CD14 and MD-2), and it is responsible for the induction of inflammatory responses. Synthetic small molecules able to modulate innate immunity receptors activity are a powerful mean to study the TLR4 receptor system and have great pharmacological interest as vaccine adjuvants (agonists), antisepsis and anti-inflammatory agents (antagonists). Antagonist activity on TLR4 receptor system of amino glycolipids (IAXO-102) was clearly demonstrated by our research group. The synthesis of molecules derived from IAXO-102 which retain the biological activity of the precursor was a target of this work. In particular, the synthesis of fluorescent probes, used for binding studies, zwitterionic derivatives and dimeric molecules were performed. Anionic TLR4 antagonists with a chemical structure more similar to Lipid A were also obtained in our labs. The aim of this work was the evaluation via NMR binding experiments of their ability to bind the innate immunity co-receptor MD-2. The amphiphilic character of the synthetic lipid A analogues synthesized so far is often associated with low water solubility and poor bioavailability. In this respect, the natural TLR4-active compounds have better solubility and bioavailability. The chemical modification of these structures is very helpful to modulate their biological activity and to enhance target specificity. Consequently, in a later stage of this work, the synthesis of new small molecules with chemical structures inspired to natural TLR4 modulators was pursued. Very recently it was found that some phenolic compounds from olive oil extracts presented a good activity as TLR4 antagonists. The synthesis of some analogues of these molecules was performed to obtain new potential TLR4 antagonists with better water solubility and reduced toxicity.

Lo scopo del presente lavoro è la progettazione, la sintesi e la caratterizzazione di nuove small molecules, attive come ligandi di LPS (lipopolisaccaridi)-binding proteins. Gli LPS, o endotossine batteriche, sono macromolecole anfifiliche ubiquitarie sulla membrana esterna dei batteri Gram-negativi. Le proteine che legano gli LPS studiate nel corso di questo progetto di tesi di dottorato appartengono a due categorie: le proteine batteriche di trasporto Lpt e il sistema recettoriale TLR4, che comprende anche i co-recettori LBP, CD14, MD2. Le proteine Lpt, e in particolare la proteina LptC, sono responsabili del meccanismo di esportazione del LPS alla superficie cellulare, che è uno step fondamentale della via biosintetica dell’LPS. Pertanto, la biogenesi dell’LPS rappresenta un target ideale per lo sviluppo di nuovi antibiotici contro i batteri Gram-negativi. Inoltre, le strutture delle proteine Lpt sono state risolte, ma il meccanismo di trasporto è ancora da elucidare. Nel presente lavoro di tesi sono stati utilizzate diverse tecniche per studiare l'interazione tra LPS e LptC, con particolare attenzione agli studi di interazione via NMR. Inoltre, un nuovo LPS fluorescente è stato prodotto ed è stato utilizzato come tool per studi di interazione LPS-LptC con tecniche di fluorescenza. Sono state anche sviluppate alcune nuove molecole sintetiche. Questi glicolipidi sono stati progettati e sintetizzati per ottenere ligandi di LptC e, in prospettiva, potenziali antibiotici contro i batteri Gram-negativi. Il Toll-like receptor 4 (TLR4), il recettore dell'immunità innata, riconosce l’LPS aiutato da altre proteine (LBP, CD14 e MD-2) ed è responsabile dell'induzione della risposta infiammatoria. Molecole sintetiche in grado di modulare l'attività dei recettori dell’immunità innata sono un potente mezzo per studiare il sistema recettoriale TLR4 e hanno grande interesse farmacologico come adiuvanti vaccinali (agonisti), agenti antisepsi e anti-infiammatori (antagonisti). L’attività biologica di glicolipidi con una funzione amminica (IAXO-102) come antagonisti del TLR4 è stata chiaramente dimostrata dal nostro gruppo di ricerca. La sintesi di molecole derivate da IAXO-102, che mantengano l'attività biologica del precursore, è stato un obiettivo di questo lavoro. In particolare, sono state portate a termine le sintesi di sonde fluorescenti, utilizzate per studi di interazione, derivati zwitterionici e molecole dimeriche. Nei nostri laboratori sono stati ottenuti anche antagonisti anionici del TLR4 con una struttura chimica più simile a Lipide A. Lo scopo di questo lavoro è stato valutare, tramite esperimenti NMR, la loro capacità di legare co-recettore dell'immunità innata MD-2. Il carattere anfifilico degli analoghi sintetici del lipide A sintetizzati finora è spesso associato ad una bassa solubilità in acqua e a scarsa biodisponibilità. Invece, i composti attivi sul TLR4 di origine naturale hanno una migliore solubilità e biodisponibilità. La modifica chimica di queste strutture è molto utile per modulare l'attività biologica e per migliorare la specificità nei confronti del target. Di conseguenza, in una fase successiva di questo lavoro di tesi, è stata intrapresa la sintesi di nuove molecole con strutture chimiche ispirate ai modulatori naturali del TLR4. Recentemente è stato dimostrato che alcuni composti fenolici estratti da olio di oliva hanno una buona attività come antagonisti del TLR4. Pertanto, la sintesi di alcuni analoghi di queste molecole è stata eseguita per ottenere nuovi potenziali antagonisti del TLR4, con una migliore solubilità in acqua e una ridotta tossicità.