ABSTRACT The ongoing COVID-19 pandemic represents an unprecedented global health crisis. Here, we report the identification of a synthetic nanobody (sybody) pair (Sb#15 and Sb#68) that can bind simultaneously to the SARS-CoV-2 spike-RBD and efficiently neutralize pseudotyped and live-viruses by interfering with ACE2 interaction. Two spatially-discrete epitopes identified by cryo-EM translated into the rational design of bispecific and tri-bispecific fusions constructs, exhibiting up to 100- and 1000-fold increase in neutralization potency. Cryo-EM of the sybody-spike complex further revealed a novel up-out RBD conformation. While resistant viruses emerged rapidly in the presence of single binders, no escape variants were observed in presence of the bispecific sybody. The multivalent bispecific constructs further increased the neutralization potency against globally-circulating SARS- CoV-2 variants of concern. Our study illustrates the power of multivalency and biparatopic nanobody fusions for the development of clinically relevant therapeutic strategies that mitigate the emergence of new SARS-CoV-2 escape mutants.

ABSTRACT Drug efflux is a common resistance mechanism found in bacteria and cancer cells. Although several structures of drug efflux pumps are available, they provide only limited functional information on the phenomenon of drug efflux. Here, we performed deep mutational scanning (DMS) on the bacterial ATP binding cassette (ABC) transporter EfrCD to determine the drug efflux activity profile of more than 1500 single variants. These systematic measurements revealed that the introduction of negative charges at different locations within the large substrate binding pocket results in strongly increased efflux activity towards positively charged ethidium, while additional aromatic residues did not display the same effect. Data analysis in the context of an inward-facing cryo-EM structure of EfrCD uncovered a high affinity binding site, which releases bound drugs through a peristaltic transport mechanism as the transporter transits to its outward-facing conformation. Finally, we identified substitutions resulting in rapid Hoechst influx without affecting the efflux activity for ethidium and daunorubicin. Hence, single mutations can convert the ABC exporter EfrCD into a drug-specific ABC importer.

The COVID-19 pandemic, caused by the novel coronavirus SARS-CoV-2, has resulted in a global health and economic crisis of unprecedented scale. The high transmissibility of SARS-CoV-2, combined with a lack of population immunity and prevalence of severe clinical outcomes, urges the rapid development of effective therapeutic countermeasures. Here, we report the generation of synthetic nanobodies, known as sybodies, against the receptor-binding domain (RBD) of SARS-CoV-2. In an expeditious process taking only twelve working days, sybodies were selected entirely in vitro from three large combinatorial libraries, using ribosome and phage display. We obtained six strongly enriched sybody pools against the isolated RBD and identified 63 unique anti-RBD sybodies which also interact in the context of the full-length SARS-CoV-2 spike protein. It is anticipated that compact binders such as these sybodies could feasibly be developed into an inhalable drug that can be used as a convenient prophylaxis against COVID-19. Moreover, generation of polyvalent antivirals, via fusion of anti-RBD sybodies to additional small binders recognizing secondary epitopes, could enhance the therapeutic potential and guard against escape mutants. We present full sequence information and detailed protocols for the identified sybodies, as a freely accessible resource. This report will be updated as we further characterize the identified sybodies, in terms of affinities, scaled-up purification yields, and their potential to neutralize SARS-CoV-2 infections.### Competing Interest StatementIwan Zimmermann, Pascal Egloff and Markus A. Seeger are founders and shareholders of Linkster Therapeutics AG.

ABC exporters harness the energy of ATP to pump substrates across membranes. Extracellular gate opening and closure are key steps of the transport cycle, but the underlying mechanism is poorly understood. Here, we generated a synthetic single domain antibody (sybody) that recognizes the heterodimeric ABC exporter TM287/288 exclusively in the presence of ATP, which was essential to solve a 3.2 Å crystal structure of the outward-facing transporter. The sybody binds to an extracellular wing and strongly inhibits ATPase activity by shifting the transporter′s conformational equilibrium towards the outward-facing state, as shown by double electron-electron resonance (DEER). Mutations that facilitate extracellular gate opening resulted in a comparable equilibrium shift and strongly reduced ATPase activity and drug transport. Using the sybody as conformational probe, we demonstrate that efficient extracellular gate closure is required to dissociate the NBD dimer after ATP hydrolysis to reset the transporter back to its inward-facing state.