Diseño in silico y síntesis de un potencial inhibidor de la enzima Metalo-β-Lactamasa de Nueva Delhi-1 (NDM-1)
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2022
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Resumen
Desde hace 13 años se descubrió la enzima Metalo-β-lactamasa de Nueva Delhi 1 (NDM-1), un nuevo miembro de la clase Metalo-β-lactamasa (MβL) la cual se ha catalogado como una de las principales amenazas para el tratamiento de infecciones provocadas por bacterias Gram-negativas debido a que presenta la capacidad de inhibir la gran mayoría de antibióticos β-lactámicos, incluyendo los carbapenems. En un esfuerzo por desarrollar nuevos inhibidores, 140 derivados de benzimidazolil acetamidas se diseñaron por metodologías in silico calculando las afinidades de unión entre cada análogo y NDM-1 mediante AutoDock Vina y determinando los IC50 a partir de un modelo predictivo basado en redes neuronales. Se obtuvo que los análogos más prometedores son aquellos que presentan sustituciones hidroxilo y amino en posiciones para o meta sobre el anillo aromático; entre estos, el análogo 3-(5-(3-hidroxibencil)-1H-pirrol-2-il)-N-(5-nitro-1H-benzo[d]imidazol-2-il)propanamida denominado como M63 fue el inhibidor más potente frente a la enzima NDM-1 debido a que presentó un IC50 teórico de 0.73 µM y una energía de afinidad de -8.5 Kcal/mol, superando en ambos criterios a las Azoliltioacetamidas existentes. Además, la energía libre de unión ΔG del complejo M63-NDM-1 se calculó mediante dinámica molecular (DM) obteniendo un valor de -9,8±1,2 Kcal/mol, correspondiente al rango obtenido con docking molecular. Asimismo, se determinó que todos los análogos presentaron un perfil de toxicidad semejante a las Azoliltioacetamidas según el software PreADMET. En una segunda etapa, se diseñó la ruta de síntesis de M63 a partir de su análisis retrosintético; para ello, se hizo reaccionar 3-clorometilfenol y 3-(1H-pirrol)propanoato de metilo en THF, para formar el compuesto a caracterizado como 3-(5-(3-hidroxibencil)-1H-Pirrol-2-il)propanoato de metilo con un rendimiento de ~90%; la segunda reacción se llevó a cabo en reflujo entre a y 6-nitro-2-amina-benzo[d]imidazol y se obtuvo un sólido rojizo como crudo de reacción. En este trabajo se realizó una aproximación de la síntesis de un inhibidor de la enzima NDM-1 diseñado mediante metodologías in silico como posible agente coadyuvante para el tratamiento de infecciones por bacterias Gramnegativas resistentes a los β-lactámicos.
Descripción
Abstract
Over 13 years ago, the enzyme New Delhi Metallo-β-lactamase 1 (NDM-1) was discovered, a new member of the Metallo-β-lactamase (MβL) class, which has been classified as one of the main threats to treatment of infections caused by Gram-negative bacteria owing it can inhibit the vast majority of β-lactam antibiotics, including carbapenems. To develop new inhibitors, 140 benzimidazolyl acetamide derivatives were designed by in silico methodologies calculating the binding affinities between each analog and NDM-1 using AutoDock Vina and determining IC50 from a predictive model based on neural networks. It was obtained that the most promising analogs are those that present hydroxyl and amino substitutions in para or meta positions on the aromatic ring, among these, the analog 3-(5-(3-hydroxybenzyl)-1H-pyrrol-2-yl)-N-(5-nitro-1H-benzo[d]imidazol-2-yl)propanamide named as M63 was the most potent inhibitor against the NDM-1 enzyme because it presented a theoretical IC50 of 0.73 µM and an affinity energy of -8.5 Kcal/mol, surpassing existing Azolylthioacetamides in both criteria. In addition, the free energy of binding ΔG of the M63-NDM-1 complex was calculated by molecular dynamics (DM), obtaining a value of -9.8±1.2 Kcal/mol, corresponding to the range obtained with molecular docking. Likewise, it was determined that all the analogs presented a toxicity profile similar to Azolylthioacetamides according to the PreADMET software. In a second stage, the synthesis route of M63 was designed from its retrosynthetic analysis; for this, 3-chloromethylphenol and methyl 3-(1H-pyrrol)propanoate were reacted in THF, to form compound a characterized as 3-(5-(3-hydroxybenzyl)-1H-Pyrrol-2-yl)propanoate methyl in ~90% yield; the second reaction was carried out under reflux between α and 6-nitro-2-amine-benzo[d]imidazole and a reddish solid was obtained as reaction crude. In this work, an approximation of the synthesis of an inhibitor of the enzyme NDM-1 designed by means of in silico methodologies was carried out as a possible adjuvant agent for the treatment of infections by Gram-negative bacteria resistant to β-lactams.
Palabras clave
IC50, NDM-1, Afinidad, Energía libre de unión ΔG, In silico, Redes neuronales artificiales
Keywords
IC50, NDM-1, Affinity, Free binding energy ΔG, In silico, Artificial neural networks