Exploration of metal-based antimicrobials to fight infectious diseases

I composti a base di metalli rappresentano una classe emergente di agenti antimicrobici, grazie alle loro diverse geometrie di coordinazione, alle proprietà redox e alla capacità di interagire con macromolecole biologiche in modalità differenti rispetto ai farmaci organici convenzionali. La comprensione delle basi molecolari della loro attività biologica richiede l’integrazione di approcci chimici, strutturali e biologici. In questa tesi, il potenziale antimicrobico di composti metallici selezionati è stato investigato attraverso studi complementari a livello proteico e strategie di screening incentrate sui composti. Una prima parte del lavoro si è concentrata sull’interazione tra complessi metallici e target proteici provenienti da diversi microrganismi parassiti, inclusi la tioredossina reduttasi di Cryptosporidium parvum e la tripanotione reduttasi di Trypanosoma brucei. Tali interazioni sono state analizzate principalmente mediante spettrometria di massa a ionizzazione elettrospray (ESI-MS) al fine di individuare la formazione di addotti metallo–proteina. Particolare attenzione è stata dedicata al comportamento di composti a base di oro(I) e oro(III), studiati in relazione alla loro capacità di interagire con i target proteici. Una seconda parte della tesi ha riguardato l’esplorazione dello spazio chimico accessibile ai composti metallici con attività antimicrobica attraverso la sintesi di librerie di complessi di rutenio(II) e iridio(III). A tal fine è stato sfruttato il potenziale della chimica combinatoriale. Tali librerie sono state sottoposte a screening analitico e biologico per l’identificazione di composti caratterizzati da proprietà antimicrobiche e citotossiche favorevoli. I complessi selezionati sono stati successivamente risintetizzati, purificati e sottoposti a studi meccanicistici volti a esaminare i loro effetti sulla crescita batterica. Nel complesso, i risultati riportati in questa tesi forniscono evidenze a supporto dell’idea che i composti metallici rappresentino una valida fonte di nuove sostanze antimicrobiche in grado di superare i meccanismi di resistenza ai farmaci, e che le strategie investigative adottate abbiano il potenziale di fornire nuove informazioni meccanicistiche e di guidare la progettazione di composti metallici ancora più efficaci. Metal-based compounds represent an emerging class of antimicrobial agents, owing to their diverse coordination geometries, redox properties, and ability to interact with biological macromolecules in ways that differ from conventional organic drugs. Understanding the molecular basis of their biological activity requires the integration of chemical, structural, and biological approaches. In this thesis, the antimicrobial potential of selected metal compounds was investigated through complementary protein-level studies and compound-centered screening strategies. A first part of this work focused on the interaction between metal complexes and protein targets from different parasitic microorganisms, including thioredoxin reductase from Cryptosporidium parvum and trypanothione reductase from Trypanosoma brucei. These interactions were primarily examined using electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS) to detect the formation of metal–protein adducts. Particular attention was given to the behavior of gold(I) and gold(III) compounds, which were studied in relation to their ability to interact with protein targets. In a second part of the thesis, the chemical space accessible to metal-based antimicrobial compounds was explored through the synthesis of libraries of ruthenium(II) and iridium(III) complexes. To do so we exploited the potential of combinatorial chemistry. These libraries were subjected to high-throughput analytical and biological screening to identify compounds with favorable antimicrobial and cytotoxic properties. Selected complexes weresubsequentlyre-synthetized,purifiedand investigatedinmechanistic studies aimed at examining their effects on bacterial growth. Overall, the results reported in this thesis provide evidence that metal compounds represent a valuable source of new antimicrobial substances capable of overcoming drug resistance processes and that the investigative strategies here adopted have the potential to provide new mechanistic insight and guide the design of even more effective metal compounds.