The coronavirus family member, SARS-CoV-2 has been identified as the causal agent for the pandemic viral pneumonia disease, COVID-19. At this time, no vaccine is available to control further dissemination of the disease. We have previously engineered a synthetic DNA vaccine targeting the MERS coronavirus Spike (S) protein, the major surface antigen of coronaviruses, which is currently in clinical study. Here we build on this prior experience to generate a synthetic DNA-based vaccine candidate targeting SARS-CoV-2 S protein. The engineered construct, INO-4800, results in robust expression of the S protein in vitro. Following immunization of mice and guinea pigs with INO-4800 we measure antigen-specific T cell responses, functional antibodies which neutralize the SARS-CoV-2 infection and block Spike protein binding to the ACE2 receptor, and biodistribution of SARS-CoV-2 targeting antibodies to the lungs. This preliminary dataset identifies INO-4800 as a potential COVID-19 vaccine candidate, supporting further translational study.

Baby steps toward bNAbs Some HIV-infected individuals develop heavily mutated, broadly neutralizing antibodies (bNAbs) that target HIV. Scientists aim to design vaccines that would elicit such antibodies. Jardine et al. report an important step toward this goal: They engineered an immunogen that could engage B cells from HIV-uninfected individuals that express the germline versions of the immunoglobulin genes harbored by a particular class of bNAbs. The frequencies of these B cells, their affinities for the immunogen, and structural analysis suggest that the immunogen is a promising candidate. Further shaping of the B cell response with subsequent immunogens may eventually elicit bNAbs in people. Science , this issue p. 1458

Steps in the right direction HIV-1 mutates rapidly, making it difficult to design a vaccine that will protect people against all of the virus' iterations. A potential successful vaccine design might protect by eliciting broadly neutralizing antibodies (bNAbs), which target specific regions on HIV-1's trimeric envelope glycoprotein (Env) (see the Perspective by Mascola). Jardine et al. used mice engineered to express germline-reverted heavy chains of a particular bNAb and immunized them with an Env-based immunogen designed to bind to precursors of that bNAb. Sanders et al. compared rabbits and monkeys immunized with Env trimers that adopt a nativelike conformation. In both cases, immunized animals produced antibodies that shared similarities with bNAbs. Boosting these animals with other immunogens may drive these antibodies to further mutate into the longsought bNAbs. Chen et al. report that retaining the cytoplasmic domain of Env proteins may be important to attract bNAbs. Removing the cytoplasmic domain may distract the immune response and instead generate antibodies that target epitopes on Env that would not lead to protection. Science , this issue p. 139 , 10.1126/science.aac4223 , p. 156 ; see also p. 191

Broadly neutralizing antibodies (bnAbs) against the N332 supersite of the HIV envelope (Env) trimer are the most common bnAbs induced during infection, making them promising leads for vaccine design. Wild-type Env glycoproteins lack detectable affinity for supersite-bnAb germline precursors and are therefore unsuitable immunogens to prime supersite-bnAb responses. We employed mammalian cell surface display to design stabilized Env trimers with affinity for germline-reverted precursors of PGT121-class supersite bnAbs. The trimers maintained native-like antigenicity and structure, activated PGT121 inferred-germline B cells ex vivo when multimerized on liposomes, and primed PGT121-like responses in PGT121 inferred-germline knockin mice. Design intermediates have levels of epitope modification between wild-type and germline-targeting trimers; their mutation gradient suggests sequential immunization to induce bnAbs, in which the germline-targeting prime is followed by progressively less-mutated design intermediates and, lastly, with native trimers. The vaccine design strategies described could be utilized to target other epitopes on HIV or other pathogens.

Summary Coronavirus disease 2019 (COVID-19), caused by the SARS-CoV-2 virus, has had a dramatic global impact on public health, social, and economic infrastructures. Here, we assess immunogenicity and anamnestic protective efficacy in rhesus macaques of the intradermal (ID)-delivered SARS-CoV-2 spike DNA vaccine, INO-4800. INO-4800 is an ID-delivered DNA vaccine currently being evaluated in clinical trials. Vaccination with INO-4800 induced T cell responses and neutralizing antibody responses against both the D614 and G614 SARS-CoV-2 spike proteins. Several months after vaccination, animals were challenged with SARS-CoV-2 resulting in rapid recall of anti-SARS-CoV-2 spike protein T and B cell responses. These responses were associated with lower viral loads in the lung and with faster nasal clearance of virus. These studies support the immune impact of INO-4800 for inducing both humoral and cellular arms of the adaptive immune system which are likely important for providing durable protection against COVID-19 disease.

Abstract Carbohydrates and glycoproteins modulate key biological functions. Computational approaches inform function to aid in carbohydrate structure prediction, structure determination, and design. However, experimental structure determination of sugar polymers is notoriously difficult as glycans can sample a wide range of low energy conformations, thus limiting the study of glycan-mediated molecular interactions. In this work, we expanded the RosettaCarbohydrate framework, developed and benchmarked effective tools for glycan modeling and design, and extended the Rosetta software suite to better aid in structural analysis and benchmarking tasks through the SimpleMetrics framework. We developed a glycan-modeling algorithm, GlycanTreeModeler , that computationally builds glycans layer-by-layer, using adaptive kernel density estimates (KDE) of common glycan conformations derived from data in the Protein Data Bank (PDB) and from quantum mechanics (QM) calculations. After a rigorous optimization of kinematic and energetic considerations to improve near-native sampling enrichment and decoy discrimination, GlycanTreeModeler was benchmarked on a test set of diverse glycan structures, or “trees”. Structures predicted by GlycanTreeModeler agreed with native structures at high accuracy for both de novo modeling and experimental density-guided building. GlycanTreeModeler algorithms and associated tools were employed to design de novo glycan trees into a protein nanoparticle vaccine that are able to direct the immune response by shielding regions of the scaffold from antibody recognition. This work will inform glycoprotein model prediction, aid in both X-ray and electron microscopy density solutions and refinement, and help lead the way towards a new era of computational glycobiology.

A key barrier to the development of vaccines that induce broadly neutralizing antibodies (bnAbs) against human immunodeficiency virus (HIV) and other viruses of high antigenic diversity is the design of priming immunogens that induce rare bnAb-precursor B cells. The high neutralization breadth of the HIV bnAb 10E8 makes elicitation of 10E8-class bnAbs desirable; however, the recessed epitope within gp41 makes envelope trimers poor priming immunogens and requires that 10E8-class bnAbs possess a long heavy chain complementarity determining region 3 (HCDR3) with a specific binding motif. We developed germline-targeting epitope scaffolds with affinity for 10E8-class precursors and engineered nanoparticles for multivalent display. Scaffolds exhibited epitope structural mimicry and bound bnAb-precursor human naive B cells in ex vivo screens, protein nanoparticles induced bnAb-precursor responses in stringent mouse models and rhesus macaques, and mRNA-encoded nanoparticles triggered similar responses in mice. Thus, germline-targeting epitope scaffold nanoparticles can elicit rare bnAb-precursor B cells with predefined binding specificities and HCDR3 features.

Carbohydrates and glycoproteins modulate key biological functions. However, experimental structure determination of sugar polymers is notoriously difficult. Computational approaches can aid in carbohydrate structure prediction, structure determination, and design. In this work, we developed a glycan-modeling algorithm, GlycanTreeModeler , that computationally builds glycans layer-by-layer, using adaptive kernel density estimates (KDE) of common glycan conformations derived from data in the Protein Data Bank (PDB) and from quantum mechanics (QM) calculations. GlycanTreeModeler was benchmarked on a test set of glycan structures of varying lengths, or “trees”. Structures predicted by GlycanTreeModeler agreed with native structures at high accuracy for both de novo modeling and experimental density-guided building. We employed these tools to design de novo glycan trees into a protein nanoparticle vaccine to shield regions of the scaffold from antibody recognition, and experimentally verified shielding. This work will inform glycoprotein model prediction, glycan masking, and further aid computational methods in experimental structure determination and refinement.

Abstract Antibodies from SARS-CoV-2 vaccines may target epitopes which reduce durability or increase the potential for escape from vaccine-induced immunity. Using a novel synthetic vaccinology pipeline, we developed rationally immune focused SARS-CoV-2 Spike-based vaccines. N-linked glycans can be employed to alter antibody responses to infection and vaccines. Utilizing computational modeling and comprehensive in vitro screening, we incorporated glycans into the Spike Receptor-Binding Domain (RBD) and assessed antigenic profiles. We developed glycan coated RBD immunogens and engineered seven multivalent configurations. Advanced DNA delivery of engineered nanoparticle vaccines rapidly elicited potent neutralizing antibodies in guinea pigs, hamsters and multiple mouse models, including human ACE2 and human B cell repertoire transgenics. RBD nanoparticles encoding wild-type and the P.1 SARS-CoV-2 variant induced high levels of cross-neutralizing antibodies. Single, low dose immunization protected against a lethal SARS-CoV-2 challenge. Single-dose coronavirus vaccines via DNA-launched nanoparticles provide a platform for rapid clinical translation of novel, potent coronavirus vaccines.

Many prokaryotes use swimming motility to move toward favorable conditions and escape adverse surroundings. Regulatory mechanisms governing bacterial flagella-driven motility are well-established; however, little is yet known about the regulation underlying swimming motility propelled by the archaeal cell surface structure, the archaella. Previous research showed that the deletion of the adhesion pilins (PilA1-6), subunits of the type IV pili cell surface structure, renders the model archaeon