2-aminoimidazole (2-AI) compounds inhibit the formation of bacterial biofilms, disperse preformed biofilms, and re-sensitize multidrug resistant bacteria to antibiotics. 2-AIs have previously been shown to interact with bacterial response regulators, but the mechanism of interaction is still unknown. Response regulators are one part of two-component systems (TCS). TCSs allow cells to respond to changes in their environment, and are used to trigger quorum sensing, virulence factors, and antibiotic resistance. Drugs that target the TCS signaling process can inhibit pathogenic behavior, making this a potent new therapeutic approach that has not yet been fully exploited. We previously laid the groundwork for the interaction of the Acinetobacter baumannii response regulator BfmR with an early 2-AI derivative. Here, we further investigate the response regulator/2-AI interaction and look at a wider library of 2-AI compounds. By combining molecular modeling with biochemical and cellular studies, we expand on a potential mechanism for interaction between response regulators and 2-AIs. We also establish that Francisella tularensis/novicida, encoding for only three known response regulators, can be a model system to study the interaction between 2-AIs and response regulators. We show that knowledge gained from studying Francisella can be applied to the more complex A. baumannii system, which contains over 50 response regulators. Understanding the impact of 2-AIs on response regulators and their mechanism of interaction will lead to the development of more potent compounds that will serve as adjuvant therapies to broad-range antibiotics.

With antibiotic resistance increasing at alarming rates, targets for new antimicrobial therapies must be identified. A particularly promising target is the bacterial two-component system. Two-component systems allow bacteria to detect, evaluate and protect themselves against changes in the environment, such as exposure to antibiotics and also to trigger production of virulence factors. Drugs that target the response regulator portion of two-component systems represent a potent new approach so far unexploited. Here, we focus efforts on the highly virulent bacterium Francisella tularensis tularensis. Francisella contains only three response regulators, making it an ideal system to study. In this study, we initially present the structure of the N-terminal domain of QseB, the response regulator responsible for biofilm formation. Subsequently, using binding assays, computational docking and cellular studies, we show that QseB interacts with2-aminoimidazole based compounds that impede its function. This information will assist in tailoring compounds to act as adjuvants that will enhance the effect of antibiotics.

Biofilms provide cells with protection against numerous physical and chemical assaults. Bacteria utilize biofilms to avoid antibiotics, leaving the bacteria resistant to antibiotic treatments. The rise of antibiotic resistance and lack of new viable treatments threaten to usher in a post‐antibiotic era if new approaches towards drug development are not made. Many of the currently available antibiotics target a narrow spectrum of metabolic processes required for cellular growth. These traditional approaches no longer offer long‐term protection due to the acquisition rate of resistance; new mechanisms must be pursued. One such mechanism is through the two‐component systems (TCSs) used in bacterial communication. TCSs allow the cell to detect and respond to changes in its environment and are used to trigger quorum sensing and virulence factors. Drugs that target the TCS signaling process could inhibit pathogenic behavior, making them a potent new approach that has not yet been exploited. The TCS response regulator BfmR from Acinetobacter baumannii is the master controller of biofilm formation, making BfmR an attractive drug target. BfmR is targeted by 2‐aminoimidazoles (2AIs), compounds that inhibit and disperse biofilms in Gram‐negative and Gram‐positive bacteria. This work focuses on the interactions between 2AI based compounds and the response regulators BfmR and PmrA/QseB, from Fancisella tularensis, which also regulates biofilm development. Understanding the impact of 2AIs on response regulators and their mechanism of interaction will lead to the development of more potent inhibitors.

Multidrug-resistant bacteria cause immense public health concerns as once effective antibiotics no longer work against even common infections. Concomitantly, there has been a decline in the discovery of new antibiotics, and the current global clinical pipeline is woefully inadequate, especially against resistant Gram-negative bacteria. One major contribution to Gram-negative resistance is the presence of a protective outer membrane. Consequently, an appealing option for tackling resistance is to adversely affect that outer membrane. With that in mind, we define the response regulator PhoP as a target for new 2-aminoimidazole compounds and show that they affect the integrity of the outer membrane in resistant strains of Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae. We also provide empirical evidence for the 2-aminoimidazole mechanism of action.

Many of the currently available antibiotics target a narrow spectrum of metabolic processes required for cellular growth. The rate at which bacteria are developing resistance leads to traditional approaches no longer offering long‐term protection. Bacteria often avoid antibiotics through the use of biofilms. Biofilms act as a protective barrier against harsh environments and leave bacteria resistant to antibiotic treatments. As such, understanding how biofilms are formed and developing small molecule therapies are vital steps in combating antibiotic resistance. Formation of biofilms is controlled in part by transcription factors known as response regulators. Response regulators are part of two‐component systems which allow the cell to detect and respond to changes in its environment and are used to trigger quorum sensing and virulence factors. Response regulators have been highly sought after as drug targets. Knocking out function with drug therapies would likely inhibit pathogenic behavior, making response regulators a potent new approach that has not yet been exploited. The dynamic nature of response regulators makes structure based drug design challenging. Fortunately, a class of 2‐aminoimidazole (2‐AI) compounds can bind bacterial response regulators, inhibiting biofilm formation and resensitize multidrug resistant bacteria to antibiotics. This work highlights the interactions between 2‐AIs and the biofilm response regulators BfmR from Acinetobacter baumannii and QseB from Francisella tularensis . These studies have led to a model for response regulator inhibition by 2‐AIs. Understanding the impact of 2AIs on response regulators and their mechanism of interaction will lead to the development of more potent compounds that will serve as adjuvant therapies with broad‐range antibiotics. Support or Funding Information This project has been funded in part with Federal funds from the National Institute of Allergy and Infectious Diseases, National Institutes of Health, Department of Health and Human Services, under Contract No. HHSN272201500010C, grant R01‐GM055769 and by the V Foundation for Cancer Research. This abstract is from the Experimental Biology 2018 Meeting. There is no full text article associated with this abstract published in The FASEB Journal .