Abstract Certain aminoacyl-tRNA synthetases developed a proofreading mechanism to ensure aminoacylation of tRNAs with cognate amino acids. Epetraborole (EPT) was identified as an inhibitor of the leucyl-tRNA synthetase (LeuRS) editing site in Mycobacterium abscessus . EPT displayed enhanced activity against M. abscessus over Mycobacterium tuberculosis . Crystallographic and equilibrium binding data showed that EPT binds LeuRS Mabs and LeuRS Mtb with similar Kd. Proteomic analysis revealed that when M. abscessus LeuRS mutants were fed the non-proteinogenic amino acid norvaline, leucine residues in proteins were replaced by norvaline, inducing expression of GroEL chaperonins and Clp proteases. In vitro data revealed that supplementation of media with norvaline reduced the emergence of EPT mutants in both M. abscessus and M. tuberculosis . The combination of EPT and norvaline had improved in vivo efficacy compared to EPT in a murine model of M. abscessus infection.

Abstract The prevalence of lung disease caused by Mycobacterium abscessus is increasing among patients with cystic fibrosis. M. abscessus is a multidrug resistant opportunistic pathogen that is notoriously difficult to treat due to a lack of efficacious therapeutic regimens. Currently, there are no standard regimens, and treatment guidelines are based empirically on drug susceptibility testing. Thus, novel antibiotics are required. Natural products represent a vast pool of biologically active compounds that have a history of being a good source of antibiotics. Here, we screened a library of 517 natural products purified from fermentations of various bacteria and fungi against M. abscessus ATCC 19977. Lysobactin and sorangicin A were active against the M. abscessus complex and drug resistant clinical isolates. These natural products merit further consideration to be included in the M. abscessus drug pipeline.

Abstract Despite our best efforts to discover new antimicrobials, bacteria have evolved mechanisms to become resistant. Resistance to antimicrobials can be attributed to innate, inducible, and acquired mechanisms. Mycobacterium abscessus is one of the most antimicrobial resistant bacteria and is known to cause chronic pulmonary infections within the cystic fibrosis community. Previously, we identified epetraborole as an inhibitor against M. abscessus with in vitro and in vivo activities and that the efficacy of epetraborole could be improved with the combination of the non-proteinogenic amino acid norvaline. Norvaline demonstrated activity against the M. abscessus epetraborole resistant mutants thus, limiting resistance to epetraborole in wild type populations. Here we show M. abscessus mutants with resistance to epetraborole can acquire resistance to norvaline in a leucyl-tRNA synthetase (LeuRS) editing-independent manner. After showing that the membrane hydrophobicity and efflux activity are not linked to norvaline resistance, whole-genome sequencing identified a mutation in the allosteric regulatory domain of α-isopropylmalate synthase (α-IPMS). We found that mutants with the α-IPMS A555V variant incorporated less norvaline in the proteome and produced more leucine than the parental strain. Furthermore, we found that leucine can rescue growth inhibition from norvaline challenge in the parental strain. Our results demonstrate that M. abscessus can modulate its metabolism through mutations in an allosteric regulatory site to upregulate the biosynthesis of the natural LeuRS substrate and outcompete norvaline. These findings emphasize the antimicrobial resistant nature of M. abscessus and describe a unique mechanism of substrate-inhibitor competition. Significance Statement Cystic fibrosis patients and individuals undergoing plastic surgery are at risk for acquiring chronic infections from Mycobacterium abscessus . Current antibiotics are not adequate and require increased drug discovery efforts to identify better treatments for these patients. The benzoxaborole, epetraborole has been shown by our group and others to be a promising candidate against M. abscessus but the emergence of resistance to epetraborole in a clinical trial for complicated urinary tract infections has hindered its development. Previously, we identified the combination of epetraborole and norvaline as a potential means to limit resistance against epetraborole. Our results here demonstrate that M. abscessus can acquire resistance to both epetraborole and norvaline. These results may help develop combination therapies to reduce the risk of resistance to benzoxaboroles and non-proteinogenic amino acids.