Interactions of hydrolyzed β-lactams with the L1 metallo-β-lactamase: Crystallography supports stereoselective binding of cephem/carbapenem products

Abstract

L1 es una metalo-β-lactamasa (MBL) de dizinc subclase B3 que hidroliza la mayoría de los antibióticos β-lactámicos y es un determinante clave de resistencia en el patógeno Gram-negativo Stenotrophomonas maltophilia, una causa importante de infecciones nosocomiales en pacientes inmunocomprometidos. Los inhibidores de MBL no inhiben de manera útil L1 en ensayos clínicos, lo que subraya la necesidad de más estudios sobre la estructura y el mecanismo de L1. Describimos estudios cinéticos y estructuras cristalinas de L1 en complejo con β-lactámicos hidrolizados de las clases penam (mecilinam), cefem (cefoxitina/cefmetazol) y carbapenem (tebipenem, doripenem y panipenem). A pesar de las diferencias en sus estructuras, todos los productos derivados de β-lactámicos se unen por puente de hidrógeno a Tyr33, Ser221 y Ser225 y se estabilizan mediante interacciones con un bolsillo hidrofóbico conservado. Los productos carbapenémicos se modelaron como Δ1-iminas, con (2S)-estereoquímica. Su modo de unión está determinado por la presencia de un sustituyente 1β-metilo: el hidróxido puente de Zn interactúa con el grupo hidroxietilo C-6 (carbapenémicos que contienen 1β-hidrógeno) o es desplazado por el carboxilato C-6 (1β-metil -que contienen carbapenémicos). Inesperadamente, el producto de mecilinam es una N-formil amida reorganizada en lugar de ácido peniciloico, con el oxígeno de N-formilo interactuando con el hidróxido de puente de Zn. Los estudios de RMN implican que el reordenamiento de mecilinam puede ocurrir de forma no enzimática en solución. Los productos de imina derivados de Cephem se unen con estereoquímica (3R) y retienen sus grupos salientes 3', lo que probablemente representa puntos finales estables, en lugar de intermediarios, en la hidrólisis catalizada por MBL. Nuestras estructuras muestran la formación de complejos preferenciales por especies derivadas de carbapenem y cefem protonadas en las caras equivalentes (β) y, por lo tanto, identifican interacciones que estabilizan diversos antibióticos hidrolizados. Estos resultados pueden aprovecharse para desarrollar antibióticos e inhibidores de la β-lactamasa que formen complejos de larga duración con MBL de dicinco.