Thiopeptides: Synthesis and Structure-Activity Relationship Studies

Abstract

The present doctoral thesis has been devoted to the development of a new synthetic strategy to obtain a new member of the thiopeptide, or thiazolyl peptide, family of antibiotics. This new member, baringolin, was isolated and characterized by the Spanish pharmaceutical company Instituto Biomar S.A. Although a structure was proposed, no stereochemical information was provided. Thus, this thesis has several objectives; first, a novel modular and straightforward strategy must be developed to achieve its total synthesis, but also to facilitate the preparation of analogues. The achievement of the total synthesis of baringolin should serve as the final confirmation of its structure and stereochemistry.

The strategy developed herein is based in cross-coupling reactions and required the preparation of suitable building blocks and optimization of the required methodology. Moreover, L –series amino acids were chosen as the sole source of chirality to be introduced in the molecule, which is presumably synthesized in the ribosome of the producing bacteria.

Once the synthetic methodology was set up and building blocks were ready, condensation of all fragments and final steps gave rise to synthetic baringolin, which was identical to its natural counterpart, confrming its structure and stereochemistry. Comparison of both products was made by spectroscopic methods and biological function assessment.

Given the successful outcome of our synthetic plan, a small library of analogues was designed. Two different moieties of the molecule were modified: the thiazoline ring and the peptidic tail. As a result of minimum inhibitory concentration of Gram positive bacteria growth assessment of the library, different conclusions could be drawn from the results thus obtained. First, thiazoline was shown to be crucial to keep a broad activity profile against many strains; its substitution for a more rigid thiazole ring resulted in loss of activity towards most strains, while potency was only maintained against S. aureus. On the other hand, shortening of the peptidic tail had almost no effect in either activity or potency. Substitution of the peptidic tail with a cyclohexanoic acid moiety in the thiazole series resulted in recovery of activity against all strains and a potency increase against most of them.

The good results obtained are good evidence of the efficiency of the synthetic strategy developed during this thesis and demonstrate that chemical synthesis is a useful tool for both structure determination and structure-activity relationship studies.

En la presente tesis doctoral se ha llevado a cabo el desarrollo de una nueva estrategia sintética para la obtención de un nuevo miembro de la familia de antibióticos conocida como tiopéptidos, o tiazolil péptidos. Este nuevo miembro, la baringolina, fue aislado y caracterizado por la empresa farmacéutica española Biomar S.A., la cual no elucidó la estereoquímica del compuesto. Así, el propósito inicial de esta tesis es múltiple; por un lado se pretende desarrollar una estrategia que permita su obtención de forma directa y modular, facilitando la futura síntesis de análogos; por otro lado, la obtención de la baringolina sintética debe ofrecer una confirmación definitiva de su estructura y su estereoquímica.

La estrategia desarrollada se basó en reacciones de acoplamiento cruzado, lo cual requería la preparación de los fragmentos necesarios y la optimización de la metodología a utilizar. Además, se escogió utilizar amino ácidos de la serie L como única fuente de quiralidad en la molécula, la cual presumiblemente está formada a partir de estos, dado el origen ribosomal de los tiopéptidos.

Con la metodología puesta a punto y los fragmentos correspondientes preparados, se pudo llevar a cabo su ensamblaje, dando lugar a la baringolina sintética, la cual resultó ser idéntica a la natural, confirmándose así su estructura y estereoquímica.

Dado el éxito de la síntesis total, se procedió a la síntesis de una pequeña librería de análogos, en la cual se modificaron dos zonas diferentes de la molécula, el anillo de tiazolina y la cola peptídica. Como resultado de la evaluación de la capacidad de inhibición de cultivos de bacterios Gram positivo, se extrajeron diversas conclusiones relativas a las relaciones estructura-actividad de las partes modificadas. En primer lugar, la tiazolina demostró ser necesaria para mantener un amplio espectro de actividad frente a diversas cepas, ya que su substitución por un anillo de tiazol, más rígido, prácticamente solo mantuvo el mismo nivel de potencia frente a S.aureus. Por otro lado, el papel de la cola peptídica resultó ser limitado, ya que su acortamiento no causó grandes diferencias de actividad y potencia. Por último, se substituyó la cola por un grupo de ácido ciclohexanoico en la versión que poseía un anillo de tiazol en lugar de tiazolina, lo cual resultó en el restablecimiento de la actividad frente a todas las cepas y un aumento de potencia frente a la mayoría de estas.