Natural Compounds as Inhibitors of Bacterial Quorum Sensing

PharmDr. Martin Helcman, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Quorum sensing (QS) je systém medzibunkovej komunikácie využívaný jednobunkovými organizmami. Mnohé gramnegatívne aj grampozitívne baktérie používajú v rámci tohto procesu organickú zlúčeninu bóru, autoinducer 2 (AI-2) ako signálnu molekulu. V teoretickej časti tejto dizertačnej práce sumarizujeme existujúce poznatky o systémoch QS v rôznych typoch organizmov a o zlúčeninách, ktoré sú známe svojou schopnosťou interagovať s týmito systémami. V experimentálnej časti sa zameriavame na izoláciu a identifikáciu bioaktívnych zlúčenín z konopy siatej (Cannabis sativa L.), vrátane neutrálnych kanabinoidov (kanabigerol, kanabinol), kanabinoidných kyselín (tetrahydrokanabinolová kyselina, kanabigerolová kyselina, kanabidiolová kyselina, kanabinolová kyselina) a prenylovaného flavonoidu kanflavínu B. Úspešne sme vyvinuli a optimalizovali metodiku na izoláciu rôznych kanabinoidných kyselín. Získané zlúčeniny, ako aj ďalšie rastlinné látky, napr. flavonoidy (vrátane polosyntetických iminov a oximov), arylbenzofurány, furanokumaríny a xantóny, sme následne testovali na účinnosť proti QS-regulovanej bioluminiscencii u Vibrio harveyi MM30. Tento mutantný kmeň nie je schopný produkovať vlastný AI-2, avšak zostáva naň citlivý, čo nám umožnilo hodnotiť účinnosť testovaných zlúčenín na AI-2-závislý aj AI-2-nezávislý QS. Významné anti-QS účinky boli pozorované v rôznych štrukturálnych triedach, v tejto práci poprvykrát prezentujeme anti-QS aktivitu arylbenzofuránov a semi-syntetických derivátov flavonoidov (imínov a oxímov). QS-inhibičnú aktivitu proti V. harveyi sme prvykrát identifikovali u niekoľkých zlúčenín, vrátane amorfrutínu 1 izolovaného z Glycyrrhiza yunnanensis Z. W. Wu, moracínu M (neprenylovaný arylbenzofuran) a moracínu C (prenylovaný arylbenzofuran) získaného z Morus alba L. Hesperetín, naringenín a adenosín preukázali silnú aktivitu v bioluminiscenčných testoch s V. harveyi MM30, čo naznačuje ich vhodnosť ako cenovo dostupnej pozitívnej kontroly. Porovnávacia analýza štrukturálne podobných zlúčenín nám umožnila navrhnúť potenciálne vzťahy medzi štruktúrou a aktivitou, predovšetkým negatívny vplyv prenylácie vo všetkých testovaných štrukturálnych triedach. Okrem toho sme hodnotili účinnosť testovaných zlúčenín na produkciu AI-2 v meticilín-rezistentnom Staphylococcus aureus (MRSA 7112) pomocou V. harveyi MM30 ako biosenzora. Moracín M a kanabigerolová kyselina preukázali významnú aktivitu, čo naznačuje ich možné budúce využitie v boji s týmto nebezpečným patogénom. Aj keď ostatné skúmané zlúčeniny neprejavili v tomto teste QS-špecifickú aktivitu, amorfrutín 1, amorfrutín 2 a xanthóny (toxyloxanthón C a gerontoxanthón C) vykázali silnú antibakteriálnu aktivitu proti tomuto kmeňu. Táto práca prináša nové poznatky o anti-QS vlastnostiach rastlinných zlúčenín a ich potenciálnom využití ako modifikátorov bakteriálnej medzibunkovej komunikácie.

Abstract:

Quorum sensing (QS) is a cell-to-cell communication system utilized by unicellular organisms. In addition to species-specific signal-receptor systems, many Gram-positive and Gram-negative bacteria utilize the boron-containing compound autoinducer 2 (AI-2) as a signaling molecule for QS. In the theoretical section of this dissertation, I summarize existing knowledge about QS systems in various types of organisms and the compounds known to interact with these systems. The experimental part focuses on the isolation and identification of bioactive compounds from Cannabis sativa, L. (Cannabaceae), including neutral cannabinoids (cannabigerol, cannabinol), cannabinoid acids (tetrahydrocannabinolic acid, cannabigerolic acid, cannabidiolic acid, cannabinolic acid), and the prenylated flavonoid cannflavin B. We successfully developed and optimized methodology for the isolation of various cannabinoid acids. In the second part, the biological activity of these compounds, along with other plant-derived substances such as flavonoids (including semi-synthetic imins and oxims), arylbenzofurans, furocoumarins, and xanthones, was evaluated for their effects on QS-regulated bioluminescence in Vibrio harveyi MM30. This mutant strain, incapable of producing its own AI-2 but remaining sensitive to it, allowed us to assess compound activity on both AI-2-dependent and AI-2-independent QS pathways. Significant anti-QS effects were observed in multiple compound classes, marking the first reported activity for arylbenzofurans and semi-synthetic flavonoid derivatives (imins and oxims). Novel QS-inhibitory activity was identified in several previously unreported compounds, including amorfrutin 1 from Glycyrrhiza yunnanensis, P.C.Li, moracin M (non-prenylated arylbenzofuran), and moracin C (prenylated arylbenzofuran) from Morus alba, L.. Furthermore, hesperetin, naringenin, and adenosine demonstrated strong activity in V. harveyi MM30 assays for the first time, indicating their suitability as affordable positive controls. Comparative analysis of structurally similar compounds enabled us to propose potential structure-activity relationships, including the consistent negative impact of prenylation across all tested structural classes. Additionally, impact of our test compounds on AI-2 production in methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA 7112) was assessed using V. harveyi MM30 as a biosensor. Moracin M and cannabigerolic acid demonstrated significant activity in this assay, positioning them as a potential solution for combating this notorious pathogen. Although the other compounds did not exhibit QS-specific activity in this assay, amorfrutin 1, amorfrutin 2, and xanthones (toxyloxanthone C and gerontoxanthone C) displayed strong antibacterial activity against this bacterium. This work provides new insights into the anti-QS properties of plant-derived compounds and their potential as modulators of bacterial communication.

Keywords

quorum sensing, Cannabis sativa, Morus alba, Vibrio harveyi, anti-bacterial, luminescence, cannabinoids, phenolics

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 28. 1. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 28. 2. 2025
• Vedoucí: prof. PharmDr. Karel Šmejkal, Ph.D.
• Oponent: doc. Ing. Jaroslav Havlík, Ph.D., prof. PharmDr. Pavel Mučaji, Ph.D.

Masarykova univerzita

Farmaceutická fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Farmakognozie / Farmakognozie