New variants of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) continue to arise and prolong the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic. Here, we used a cell-free expression workflow to rapidly screen and optimize constructs containing multiple computationally designed miniprotein inhibitors of SARS-CoV-2. We found the broadest efficacy was achieved with a homotrimeric version of the 75-residue angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) mimic AHB2 (TRI2-2) designed to geometrically match the trimeric spike architecture. Consistent with the design model, in the cryo-electron microscopy structure TRI2-2 forms a tripod at the apex of the spike protein that engaged all three receptor binding domains simultaneously. TRI2-2 neutralized Omicron (B.1.1.529), Delta (B.1.617.2), and all other variants tested with greater potency than the monoclonal antibodies used clinically for the treatment of COVID-19. TRI2-2 also conferred prophylactic and therapeutic protection against SARS-CoV-2 challenge when administered intranasally in mice. Designed miniprotein receptor mimics geometrically arrayed to match pathogen receptor binding sites could be a widely applicable antiviral therapeutic strategy with advantages over antibodies in greater resistance to viral escape and antigenic drift, and advantages over native receptor traps in lower chances of autoimmune responses.

Natural molecular machines contain protein components that undergo motion relative to each other. Designing such mechanically constrained nanoscale protein architectures with internal degrees of freedom is an outstanding challenge for computational protein design. Here we explore the de novo construction of protein machinery from designed axle and rotor components with internal cyclic or dihedral symmetry. We find that the axle-rotor systems assemble in vitro and in vivo as designed. Using cryo-electron microscopy, we find that these systems populate conformationally variable relative orientations reflecting the symmetry of the coupled components and the computationally designed interface energy landscape. These mechanical systems with internal degrees of freedom are a step toward the design of genetically encodable nanomachines.

Abstract Influenza vaccines that confer broad and durable protection against diverse virus strains would have a major impact on global health. However, next-generation vaccine design efforts have been complicated by challenges including the genetic plasticity of the virus and the immunodominance of certain epitopes in its glycoprotein antigens. Here we show that computationally designed, two-component nanoparticle immunogens induce potently neutralizing and broadly protective antibody responses against a wide variety of influenza viruses. The nanoparticle immunogens display 20 hemagglutinin (HA) trimers in a highly immunogenic array, and their assembly in vitro enables precisely controlled co-display of multiple distinct HAs in defined ratios. Nanoparticle immunogens displaying the four HAs of licensed quadrivalent influenza vaccines (QIV) elicited hemagglutination inhibition and neutralizing antibody responses to vaccine-matched strains that were equivalent or superior to commercial QIV in mice, ferrets, and nonhuman primates. The nanoparticle immunogens—but not QIV—simultaneously induced broadly protective antibody responses to heterologous viruses, including H5N1 and H7N9, by targeting the subdominant yet conserved HA stem. Unlike previously reported influenza vaccine candidates, our nanoparticle immunogens can alter the intrinsic immunodominance hierarchy of HA to induce both potent receptor-blocking and broadly cross-reactive stem-directed antibody responses and are attractive candidates for a next-generation influenza vaccine that could replace current seasonal vaccines. One Sentence Summary Nanoparticle immunogens displaying four seasonal influenza hemagglutinins elicit neutralizing antibodies directed at both the immunodominant head and the conserved stem and confer broad protective immunity.

ABSTRACT Angiopoietin 1 and 2 (Ang1 and Ang2) modulate angiogenesis and vascular homeostasis through engagement of their very similar F-domain modules with the Tie2 receptor tyrosine kinase on endothelial cells. Despite this similarity in the underlying receptor binding interaction, the two angiopoietins have opposite effects: Ang1 induces phosphorylation of protein kinase B (AKT), strengthens cell-cell junctions and enhances endothelial cell survival while Ang2 antagonizes these effects 1–4 . To investigate the molecular basis for the opposing effects, we examined the protein kinase activation and morphological phenotypes produced by a series of computationally designed protein scaffolds presenting the Ang1 F-domain in a wide range of valencies and geometries. We find two broad phenotypic classes distinguished by the number of presented F-domains: scaffolds presenting 4 F-domains have Ang2 like activity, upregulating pFAK and pERK but not pAKT, and failing to induce cell migration and tube formation, while scaffolds presenting 6 or more F-domains have Ang1 like activity, upregulating pAKT and inducing migration and tube formation. The scaffolds with 8 or more F-domains display superagonist activity, producing stronger phenotypes at lower concentrations than Ang1. When examined in vivo , superagonist icosahedral self-assembling nanoparticles caused significant revascularization in hemorrhagic brains after a controlled cortical impact injury.

Escape variants of SARS-CoV-2 are threatening to prolong the COVID-19 pandemic. To address this challenge, we developed multivalent protein-based minibinders as potential prophylactic and therapeutic agents. Homotrimers of single minibinders and fusions of three distinct minibinders were designed to geometrically match the SARS-CoV-2 spike (S) trimer architecture and were optimized by cell-free expression and found to exhibit virtually no measurable dissociation upon binding. Cryo-electron microscopy (cryoEM) showed that these trivalent minibinders engage all three receptor binding domains on a single S trimer. The top candidates neutralize SARS-CoV-2 variants of concern with IC 50 values in the low pM range, resist viral escape, and provide protection in highly vulnerable human ACE2-expressing transgenic mice, both prophylactically and therapeutically. Our integrated workflow promises to accelerate the design of mutationally resilient therapeutics for pandemic preparedness.We designed, developed, and characterized potent, trivalent miniprotein binders that provide prophylactic and therapeutic protection against emerging SARS-CoV-2 variants of concern.

Abstract Antibodies are widely used in biology and medicine, and there has been considerable interest in multivalent antibody formats to increase binding avidity and enhance signaling pathway agonism. However, there are currently no general approaches for forming precisely oriented antibody assemblies with controlled valency. We describe the computational design of two-component nanocages that overcome this limitation by uniting form and function. One structural component is any antibody or Fc fusion and the second is a designed Fc-binding homo-oligomer that drives nanocage assembly. Structures of 8 antibody nanocages determined by electron microscopy spanning dihedral, tetrahedral, octahedral, and icosahedral architectures with 2, 6, 12, and 30 antibodies per nanocage match the corresponding computational models. Antibody nanocages targeting cell-surface receptors enhance signaling compared to free antibodies or Fc-fusions in DR5-mediated apoptosis, Tie2-mediated angiogenesis, CD40 activation, and T cell proliferation; nanocage assembly also increases SARS-CoV-2 pseudovirus neutralization by α-SARS-CoV-2 monoclonal antibodies and Fc-ACE2 fusion proteins. We anticipate that the ability to assemble arbitrary antibodies without need for covalent modification into highly ordered assemblies with different geometries and valencies will have broad impact in biology and medicine.

Abstract Protein nanomaterial design is an emerging discipline with applications in medicine and beyond. A longstanding design approach uses genetic fusion to join protein homo-oligomer subunits via α-helical linkers to form more complex symmetric assemblies, but this method is hampered by linker flexibility and a dearth of geometric solutions. Here, we describe a general computational method that performs rigid three-body fusion of homo-oligomer and spacer building blocks to generate user-defined architectures, while at the same time significantly increasing the number of geometric solutions over typical symmetric fusion. The fusion junctions are then optimized using Rosetta to minimize flexibility. We apply this method to design and test 92 dihedral symmetric protein assemblies from a set of designed homo-dimers and repeat protein building blocks. Experimental validation by native mass spectrometry, small angle X-ray scattering, and negative-stain single-particle electron microscopy confirms the assembly states for 11 designs. Most of these assemblies are constructed from DARPins (designed ankyrin repeat proteins), anchored on one end by α-helical fusion and on the other by a designed homo-dimer interface, and we explored their use for cryo-EM structure determination by incorporating DARPin variants selected to bind targets of interest. Although the target resolution was limited by preferred orientation effects, small scaffold size, and the low-order symmetry of these dihedral scaffolds, we found that the dual anchoring strategy reduced the flexibility of the target-DARPIN complex with respect to the overall assembly, suggesting that multipoint anchoring of binding domains could contribute to cryo-EM structure determination of small proteins.

Abstract Two-component, self-assembling nanoparticles represent a versatile platform for multivalent presentation of viral antigens. Nanoparticles of different sizes and geometries can be designed and combined with appropriate antigens to fit the requirements of different immunization strategies. Here, we describe detailed antigenic, structural, and functional characterization of computationally designed tetrahedral, octahedral, and icosahedral nanoparticle immunogens displaying trimeric HIV envelope glycoprotein (Env) ectodomains. Env trimers, based on subtype A (BG505) or consensus group M (ConM) sequences and engineered with SOSIP stabilizing mutations, were fused to the underlying trimeric building block of each nanoparticle. Initial screening yielded one icosahedral and two tetrahedral nanoparticle candidates, capable of presenting twenty or four copies of the Env trimer. A number of analyses, including detailed structural characterization by cryo-EM, demonstrated that the nanoparticle immunogens possessed the intended structural and antigenic properties. Comparing the humoral responses elicited by ConM-SOSIP trimers presented on a two-component tetrahedral nanoparticle to the corresponding soluble protein revealed that multivalent presentation increased the proportion of the overall antibody response directed against autologous neutralizing Ab epitopes present on the ConM-SOSIP trimers. Author Summary Protein constructs based on soluble ectodomains of HIV glycoprotein (Env) trimers are the basis of many current HIV vaccine platforms. Multivalent antigen display is one strategy applied to improve the immunogenicity of different subunit vaccine candidates. Here, we describe and comprehensively evaluate a library of de novo designed, protein nanoparticles of different geometries for their ability to present trimeric Env antigens. We found three nanoparticle candidates that can stably incorporate model Env trimer on their surface while maintaining its structure and antigenicity. Immunogenicity of the designed nanoparticles is assessed in vitro and in vivo . In addition to introducing a novel set of reagents for multivalent display of Env trimers, this work provides both guiding principles and a detailed experimental roadmap for the generation, characterization, and optimization of Env-presenting, self-assembling nanoparticle immunogens.

Abstract In natural proteins, structured loops have central roles in molecular recognition, signal transduction and enzyme catalysis. However, because of the intrinsic flexibility and irregularity of loop regions, organizing multiple structured loops at protein functional sites has been very difficult to achieve by de novo protein design. Here we describe a solution to this problem that designs tandem repeat proteins with structured loops (9–14 residues) buttressed by extensive hydrogen bonding interactions. Experimental characterization shows that the designs are monodisperse, highly soluble, folded and thermally stable. Crystal structures are in close agreement with the design models, with the loops structured and buttressed as designed. We demonstrate the functionality afforded by loop buttressing by designing and characterizing binders for extended peptides in which the loops form one side of an extended binding pocket. The ability to design multiple structured loops should contribute generally to efforts to design new protein functions.

Abstract Natural nanomachines like the F 1 /F 0 -ATPase contain protein components that undergo rotation relative to each other. Designing such mechanically constrained nanoscale protein architectures with internal degrees of freedom is an outstanding challenge for computational protein design. Here we explore the de novo construction of protein rotary machinery from designed axle and ring components. Using cryoelectron microscopy, we find that axle-ring systems assemble as designed and populate diverse rotational states depending on symmetry match or mismatch and the designed interface energy landscape. These mechanical systems with internal rotational degrees of freedom are a step towards the systematic design of genetically encodable nanomachines. One-Sentence Summary Computationally designed self-assembling protein rotary machines sample internal degrees of freedom sculpted within the energy landscape.