During the evolution of SARS-CoV-2 in humans, a D614G substitution in the spike glycoprotein (S) has emerged; virus containing this substitution has become the predominant circulating variant in the COVID-19 pandemic1. However, whether the increasing prevalence of this variant reflects a fitness advantage that improves replication and/or transmission in humans or is merely due to founder effects remains unknown. Here we use isogenic SARS-CoV-2 variants to demonstrate that the variant that contains S(D614G) has enhanced binding to the human cell-surface receptor angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), increased replication in primary human bronchial and nasal airway epithelial cultures as well as in a human ACE2 knock-in mouse model, and markedly increased replication and transmissibility in hamster and ferret models of SARS-CoV-2 infection. Our data show that the D614G substitution in S results in subtle increases in binding and replication in vitro, and provides a real competitive advantage in vivo—particularly during the transmission bottleneck. Our data therefore provide an explanation for the global predominance of the variant that contains S(D614G) among the SARS-CoV-2 viruses that are currently circulating. A SARS-CoV-2 variant containing a D614G substitution in the spike protein shows enhanced binding to human ACE2, increased replication in human cell cultures and a competitive advantage in animal models of infection.

Reverse genetics has been an indispensable tool to gain insights into viral pathogenesis and vaccine development. The genomes of large RNA viruses, such as those from coronaviruses, are cumbersome to clone and manipulate in Escherichia coli owing to the size and occasional instability of the genome1–3. Therefore, an alternative rapid and robust reverse-genetics platform for RNA viruses would benefit the research community. Here we show the full functionality of a yeast-based synthetic genomics platform to genetically reconstruct diverse RNA viruses, including members of the Coronaviridae, Flaviviridae and Pneumoviridae families. Viral subgenomic fragments were generated using viral isolates, cloned viral DNA, clinical samples or synthetic DNA, and these fragments were then reassembled in one step in Saccharomyces cerevisiae using transformation-associated recombination cloning to maintain the genome as a yeast artificial chromosome. T7 RNA polymerase was then used to generate infectious RNA to rescue viable virus. Using this platform, we were able to engineer and generate chemically synthesized clones of the virus, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2)4, which has caused the recent pandemic of coronavirus disease (COVID-19), in only a week after receipt of the synthetic DNA fragments. The technical advance that we describe here facilitates rapid responses to emerging viruses as it enables the real-time generation and functional characterization of evolving RNA virus variants during an outbreak. A yeast-based synthetic genomics platform is used to reconstruct and characterize large RNA viruses from synthetic DNA fragments; this technique will facilitate the rapid analysis of RNA viruses, such as SARS-CoV-2, during an outbreak.

Abstract During the evolution of SARS-CoV-2 in humans a D614G substitution in the spike (S) protein emerged and became the predominant circulating variant (S-614G) of the COVID-19 pandemic 1 . However, whether the increasing prevalence of the S-614G variant represents a fitness advantage that improves replication and/or transmission in humans or is merely due to founder effects remains elusive. Here, we generated isogenic SARS-CoV-2 variants and demonstrate that the S-614G variant has (i) enhanced binding to human ACE2, (ii) increased replication in primary human bronchial and nasal airway epithelial cultures as well as in a novel human ACE2 knock-in mouse model, and (iii) markedly increased replication and transmissibility in hamster and ferret models of SARS-CoV-2 infection. Collectively, our data show that while the S-614G substitution results in subtle increases in binding and replication in vitro , it provides a real competitive advantage in vivo , particularly during the transmission bottle neck, providing an explanation for the global predominance of S-614G variant among the SARS-CoV-2 viruses currently circulating.

Abstract Emerging variants of concern (VOCs) drive the SARS-CoV-2 pandemic. We assessed VOC B.1.1.7, now prevalent in several countries, and VOC B.1.351, representing the greatest threat to populations with immunity to the early SARS-CoV-2 progenitors. B.1.1.7 showed a clear fitness advantage over the progenitor variant (wt-S 614G ) in ferrets and two mouse models, where the substitutions in the spike glycoprotein were major drivers for fitness advantage. In the “superspreader” hamster model, B.1.1.7 and wt-S 614G had comparable fitness, whereas B.1.351 was outcompeted. The VOCs had similar replication kinetics as compared to wt-S 614G in human airway epithelial cultures. Our study highlights the importance of using multiple models for complete fitness characterization of VOCs and demonstrates adaptation of B.1.1.7 towards increased upper respiratory tract replication and enhanced transmission in vivo. Summary sentence B.1.1.7 VOC outcompetes progenitor SARS-CoV-2 in upper respiratory tract replication competition in vivo.

Abstract The Mycoplasma Immunoglobulin Binding/Protease (MIB-MIP) system is a candidate ‘virulence factor present in multiple pathogenic species of the Mollicutes , including the fast-growing species Mycoplasma feriruminatoris . The MIB-MIP system cleaves the heavy chain of host immunoglobulins, hence affecting antigen-antibody interactions and potentially facilitating immune evasion. In this work, using -omics technologies and 5’RACE, we show that the four copies of the M. feriruminatoris MIB-MIP system have different expression levels and are transcribed as operons controlled by four different promoters. Individual MIB-MIP gene pairs of M. feriruminatoris and other Mollicutes were introduced in an engineered M. feriruminatoris strain devoid of MIB-MIP genes and were tested for their functionality using newly developed oriC -based plasmids. The two proteins are functionally expressed at the surface of M. feriruminatoris , which confirms the possibility to display large membrane-associated proteins in this bacterium. However, functional expression of heterologous MIB-MIP systems introduced in this engineered strain from phylogenetically distant porcine Mollicutes like Mesomycoplasma hyorhinis or Mesomycoplasma hyopneumoniae could not be achieved. Finally, since M. feriruminatoris is a candidate for biomedical applications such as drug delivery, we confirmed its safety in vivo in domestic goats, which are the closest livestock relatives to its native host the Alpine ibex.

Abstract SARS-CoV-2 is a highly contagious respiratory virus and the causative agent for COVID-19. The severity of disease varies from mildly symptomatic to lethal and shows an extraordinary correlation with increasing age, which represents the major risk factor for severe COVID-19 1 . However, the precise pathomechanisms leading to aggravated disease in the elderly are currently unknown. Delayed and insufficient antiviral immune responses early after infection as well as dysregulated and overshooting immunopathological processes late during disease were suggested as possible mechanisms. Here we show that the age-dependent increase of COVID-19 severity is caused by the disruption of a timely and well-coordinated innate and adaptive immune response due to impaired interferon (IFN) responses. To overcome the limitations of mechanistic studies in humans, we generated a mouse model for severe COVID-19 and compared the kinetics of the immune responses in adult and aged mice at different time points after infection. Aggravated disease in aged mice was characterized by a diminished IFN-γ response and excessive virus replication. Accordingly, adult IFN-γ receptor-deficient mice phenocopied the age-related disease severity and supplementation of IFN-γ reversed the increased disease susceptibility of aged mice. Mimicking impaired type I IFN immunity in adult and aged mice, a second major risk factor for severe COVID-19 2–4 , we found that therapeutic treatment with IFN-λ in adult and a combinatorial treatment with IFN-γ and IFN-λ in aged Ifnar1 -/- mice was highly efficient in protecting against severe disease. Our findings provide an explanation for the age-dependent disease severity of COVID-19 and clarify the nonredundant antiviral functions of type I, II and III IFNs during SARS-CoV-2 infection in an age-dependent manner. Based on our data, we suggest that highly vulnerable individuals combining both risk factors, advanced age and an impaired type I IFN immunity, may greatly benefit from immunotherapy combining IFN-γ and IFN-λ.

Approved vaccines are effective against severe COVID-19, but broader immunity is needed against new variants and transmission. Therefore, we developed genome-modified live-attenuated vaccines (LAV) by recoding the SARS-CoV-2 genome, including 'one-to-stop' (OTS) codons, disabling Nsp1 translational repression and removing ORF6, 7ab and 8 to boost host immune responses, as well as the spike polybasic cleavage site to optimize the safety profile. The resulting OTS-modified SARS-CoV-2 LAVs, designated as OTS-206 and OTS-228, are genetically stable and can be intranasally administered, while being adjustable and sustainable regarding the level of attenuation. OTS-228 exhibits an optimal safety profile in preclinical animal models, with no side effects or detectable transmission. A single-dose vaccination induces a sterilizing immunity in vivo against homologous WT SARS-CoV-2 challenge infection and a broad protection against Omicron BA.2, BA.5 and XBB.1.5, with reduced transmission. Finally, this promising LAV approach could be applicable to other emerging viruses.

Reverse genetics has been an indispensable tool revolutionising our insights into viral pathogenesis and vaccine development. Large RNA virus genomes, such as from Coronaviruses, are cumbersome to clone and to manipulate in E. coli hosts due to size and occasional instability. Therefore, an alternative rapid and robust reverse genetics platform for RNA viruses would benefit the research community. Here we show the full functionality of a yeast-based synthetic genomics platform for the genetic reconstruction of diverse RNA viruses, including members of the Coronaviridae, Flaviviridae and Paramyxoviridae families. Viral subgenomic fragments were generated using viral isolates, cloned viral DNA, clinical samples, or synthetic DNA, and reassembled in one step in Saccharomyces cerevisiae using transformation associated recombination (TAR) cloning to maintain the genome as a yeast artificial chromosome (YAC). T7-RNA polymerase has been used to generate infectious RNA, which was then used to rescue viable virus. Based on this platform we have been able to engineer and resurrect chemically-synthetized clones of the recent epidemic SARS-CoV-2 in only a week after receipt of the synthetic DNA fragments. The technical advance we describe here allows to rapidly responding to emerging viruses as it enables the generation and functional characterization of evolving RNA virus variants - in real-time - during an outbreak.

Abstract Mycoplasmas are minute bacteria controlled by very small genomes ranging from 0.6 to 1.4 Mbp. They lack a cell wall and have been suggested to have progressed through reductive evolution from phylogenetically closely related Clostridia. They are known to colonize the respiratory tract or the urogenital tract among other organs and can cause chronic and subclinical diseases associated with long persistence of the causative agent. Toxin-antitoxin systems (TAS) are genetic elements that have been described for several respiratory and urogenital pathogens as well as for Clostridia, but never for pathogenic mycoplasmas. Here we describe for the first-time different types of TAS in a Mycoplasma pathogen, namely M. mycoides subsp. capri . We identified candidate TAS in silico via TASmania database. Two candidate TAS identified in silico and another candidate TAS suggested in a minimal cell based on transposon mutagenesis were systematically tested for their functionality in hosts with different phylogenetic distance using heterologous expression. Phylogenetic distance of the host used for heterologous expression influenced the outcome of the functional testing. We corroborated functionality of the three candidate TAS in Mycoplasma capricolum subsp. capricolum . Moreover, we confirmed transcription and translation of molecules of the TAS investigated during in vitro growth. We sequence analyzed 15 genomes of M. mycoides subsp. capri and revealed an unequal distribution of the TAS studied pointing towards dynamic gain and loss of TAS within the species. Author summary Mycoplasmas have a minimal genome and have never been shown to possess TAS. In this work we showed the presence of different functional TAS systems in Mycoplasma mycoides subsp. capri , a caprine pathogen for the first time. Sequence analysis of a number of Mycoplasma mycoides subsp. capri strains revealed a plasticity of the genome with respect to TAS carriage. This work paves the way to investigate the biological role of TAS (e.g. persistence, stress tolerance) during infection using mycoplasmas as a simple model organism. Since most mycoplasmas lack classical virulence factors such as exotoxins and go into a kind of stealth mode to evade the immune system, TAS are likely to contribute to the parasitic lifestyle of mycoplasmas and should be investigated in that respect. The availability of synthetic genomics tools to modify a range of Mycoplasma pathogens and well-established challenge models for the latter mycoplasmas will foster future research on TAS in mycoplasmas.

Mycoplasmas are the smallest free-living organisms and cause a number of economically important diseases affecting humans, animals, insects and plants. Here, we demonstrate that highly virulent Mycoplasma mycoides subspecies capri (Mmc) can be fully attenuated via targeted deletion of non-essential genes encoding, among others, potential virulence traits. Five genomic regions, representing approximately ten percent of the original Mmc genome, were successively deleted using Saccharomyces cerevisiae as an engineering platform. Specifically, a total of 68 genes out of the 432 genes verified to be individually nonessential in the JCVI-Syn3.0 minimal cell, were excised from the genome. In vitro characterization showed that this mutant was similar to its parental strain in terms of its doubling time, even though ten percent of the genome content were removed. A novel in vivo challenge model in goats revealed that the wild-type parental strain caused marked necrotizing inflammation at the site of inoculation, septicemia and all animals reaching endpoint criteria within seven days after experimental infection. This is in contrast to the mutant strain, which caused no clinical signs nor pathomorphological lesions. These results highlight, for the first time, the rational design, construction and complete attenuation of a Mycoplasma strain via synthetic genomics tools. Trait addition using the yeast-based genome engineering platform and subsequent in vitro or in vivo trials employing the Mycoplasma chassis will allow us to dissect the role of individual candidate Mycoplasma virulence factors and lead the way for the development of an attenuated designer vaccine.