Targeting baCteriAl cell eNvelope of Nocosomial paThogens to ESKAPE resistance

La resistenza antimicrobica (AMR) rappresenta una seria minaccia per la salute pubblica globale umana e animale. L'uso eccessivo e improprio di antibiotici sta aumentando il numero di ceppi microbici resistenti segnalati, compromettendo i trattamenti clinici convenzionali. L'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) ha dichiarato l'AMR un'emergenza sanitaria e ha annunciato che i decessi attribuibili all'AMR ogni anno saranno 10 milioni entro il 2050, superando tutte le altre principali cause di morte. Per rispondere alla minaccia AMR, è necessaria un'azione immediata. L'AMR può essere affrontata solo attraverso gli sforzi coordinati di ricercatori esperti e con un approccio interdisciplinare. Negli ultimi decenni, la biologia strutturale ha chiaramente dimostrato il suo ruolo centrale nella scienza medica, ponendosi all'interfaccia tra fisica, chimica e biologia. Le osservazioni strutturali dei principali attori molecolari dell'AMR sono fondamentali per una più profonda comprensione della resistenza antimicrobica e per l'esplorazione di strategie terapeutiche alternative. Il progetto CANNOT-ESKAPE prende di mira i tre batteri multiresistenti più preoccupanti appartenenti alla famiglia di agenti patogeni ESKAPE, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii e Pseudomonas aeruginosa, che sono la principale causa di infezioni ospedaliere a livello globale e sono segnalate dall'OMS come la più grande minaccia per la salute umana. La proposta di ricerca riunisce 4 Unità di Ricerca (RU), con competenze in biologia strutturale, resistenza antimicrobica, microbiologia e immunochimica, con l'obiettivo finale di acquisire nuove informazioni sui meccanismi molecolari di resistenza e sull'adattamento di questi pericolosi agenti patogeni all'essiccazione e ai farmaci di ultima istanza, mediati da un pool di enzimi che modificano l'involucro cellulare. Il progetto è strutturato in tre piani di lavoro (WP), che coinvolgono tutte le RU. Il WP1 contribuirà alla caratterizzazione strutturale e biochimica di un pannello di enzimi che degradano i polisaccaridi capsulari e che agiscono contro K. pneumoniae e di enzimi che modificano il lipopolisaccaride (LPS), cruciali per la sintesi di LPS in P. aeruginosa e per la resistenza ai farmaci di ultima istanza e all'essiccamento in A. baumannii. L'interazione di questi enzimi con frammenti dell'involucro cellulare estratti da ceppi clinici disponibili nel gruppo di ricerca saranno studiati nel WP2, come strumento per sviluppare inibitori enzimatici mediante screening virtuale e altri approcci computazionali. I risultati confermati sperimentalmente, che saranno testati microbiologicamente e immunochimicamente nel WP3, forniranno buoni punti di partenza per l'ottimizzazione chimica nel WP2, in un processo che richiede un lavoro interattivo di tutti i WP. Nel complesso, CANNOT-ESKAPE combina un pool integrato e interattivo di esperti in infezioni batteriche di diverse aree metodologiche, con tutti i responsabili delle RU sotto i 40 anni e un'età media complessiva di 40 anni. Sebbene apparentemente ambizioso, questo progetto si basa su forti risultati preliminari e su una collaborazione di lunga data esistente tra i partner, che migliora la fattibilità delle attività pianificate.

Antimicrobial resistance (AMR) poses a serious threat to global human and animal public health. The excess and improper use of antibiotics is increasing the number of reported resistant microbial strains, compromising the conventional clinical treatments. The World Health Organization (WHO) has declared AMR a health emergency and has announced that the deaths attributable to AMR every year will be 10 million by 2050, exceeding all the other major causes of death. To respond to AMR threat, an immediate action is required. AMR can only be addressed through the coordinated efforts of experienced researchers and with an interdisciplinary approach. In the last decades, structural biology has clearly demonstrated its central role in medical science, siting at the interface of physics, chemistry, and biology. Structural insights of key molecular players of AMR are fundamental for a deeper understanding of antimicrobial resistance and for the exploration of alternative therapeutic strategies. CANNOT-ESKAPE project targets the three most scary multidrug resistant bacteria belonging to the ESKAPE family of pathogens, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii and Pseudomonas aeruginosa, which are the leading cause of hospital infections globally and are reported by WHO as the greatest threat to the human health. The research proposal gathers 4 Research Units (RUs), with expertise in structural biology, antimicrobial resistance, microbiology and immuno chemistry, with the final goal of acquiring new information on molecular mechanisms of resistance and adaptation of these challenging pathogens to desiccation and last-resort drugs, mediated by a pool of cell envelope modifying enzymes. The project is structured in three scientific WPs, involving all RUs. WP1 will contribute to the structural and biochemical characterization of a panel of CPS degrading enzymes acting against K. pneumoniae and of LPS modifying enzymes crucial to LPS synthesis in P. aeruginosa and to resistance to last-resort drugs and to desiccation in A. baumannii. The interaction of these enzymes with cell envelope fragments extracted from clinical strains available in the network will be studied in WP2, as a tool to develop enzyme inhibitors using virtual screening and other computational approaches. Experimentally confirmed hits, which will be microbiologically and immunochemically tested in WP3, will provide good starting points for chemical optimization in WP2, in a process that requires a highly interactive work of all WPs. As a whole, CANNOT-ESKAPE combines an integrated and interactive pool of experts in bacterial diseases from diverse methodological areas, with all RU leaders under 40 and with average age of 40. Although seemingly ambitious, this project relies on strong preliminary results and on an existing long-standing collaboration between partners, which enhance the feasibility of planned activities.