Abstract The emerging discipline of bacterial glycoengineering has made it possible to produce designer glycans and glycoconjugates for use as vaccines and therapeutics. Unfortunately, cell-based production of homogeneous glycoproteins remains a significant challenge due to cell viability constraints and the inability to control glycosylation components at precise ratios in vivo. To address these challenges, we describe a novel cell-free glycoprotein synthesis (CFGpS) technology that seamlessly integrates protein biosynthesis with asparagine-linked protein glycosylation. This technology leverages a glyco-optimized Escherichia coli strain to source cell extracts that are selectively enriched with glycosylation components, including oligosaccharyltransferases (OSTs) and lipid-linked oligosaccharides (LLOs). The resulting extracts enable a one-pot reaction scheme for efficient and site-specific glycosylation of target proteins. The CFGpS platform is highly modular, allowing the use of multiple distinct OSTs and structurally diverse LLOs. As such, we anticipate CFGpS will facilitate fundamental understanding in glycoscience and make possible applications in on demand biomanufacturing of glycoproteins.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) causes a range of symptoms in infected individuals, from mild respiratory illness to acute respiratory distress syndrome. A systematic understanding of host factors influencing viral infection is critical to elucidate SARS-CoV-2-host interactions and the progression of Coronavirus disease 2019 (COVID-19). Here, we conducted genome-wide CRISPR knockout and activation screens in human lung epithelial cells with endogenous expression of the SARS-CoV-2 entry factors ACE2 and TMPRSS2. We uncovered proviral and antiviral factors across highly interconnected host pathways, including clathrin transport, inflammatory signaling, cell-cycle regulation, and transcriptional and epigenetic regulation. We further identified mucins, a family of high molecular weight glycoproteins, as a prominent viral restriction network that inhibits SARS-CoV-2 infection in vitro and in murine models. These mucins also inhibit infection of diverse respiratory viruses. This functional landscape of SARS-CoV-2 host factors provides a physiologically relevant starting point for new host-directed therapeutics and highlights airway mucins as a host defense mechanism.

SUMMARY SARS-CoV-2 can cause a range of symptoms in infected individuals, from mild respiratory illness to acute respiratory distress syndrome. A systematic understanding of the host factors mediating viral infection or restriction is critical to elucidate SARS-CoV-2 host-pathogen interactions and the progression of COVID-19. To this end, we conducted genome-wide CRISPR knockout and activation screens in human lung epithelial cells with endogenous expression of the SARS-CoV-2 entry factors ACE2 and TMPRSS2. These screens uncovered proviral and antiviral host factors across highly interconnected host pathways, including components implicated in clathrin transport, inflammatory signaling, cell cycle regulation, and transcriptional and epigenetic regulation. We further identified mucins, a family of high-molecular weight glycoproteins, as a prominent viral restriction network. We demonstrate that multiple membrane-anchored mucins are critical inhibitors of SARS-CoV-2 entry and are upregulated in response to viral infection. This functional landscape of SARS-CoV-2 host factors provides a physiologically relevant starting point for new host-directed therapeutics and suggests interactions between SARS-CoV-2 and airway mucins of COVID-19 patients as a host defense mechanism.

Abstract Despite the curative potential of checkpoint blockade immunotherapy, a majority of patients remain unresponsive to existing treatments. Glyco-immune checkpoints – interactions of cell-surface glycans with lectin, or glycan binding, immunoreceptors – have emerged as prominent mechanisms of immune evasion and therapeutic resistance in cancer. Here, we describe antibody-lectin chimeras (AbLecs), a modular platform for glyco-immune checkpoint blockade. AbLecs are bispecific antibody-like molecules comprising a tumor-targeting arm as well as a lectin “decoy receptor” domain that directly binds tumor glycans and blocks their ability to engage lectin receptors on immune cells. AbLecs elicited tumor killing in vitro via macrophage phagocytosis and NK cell and granulocyte cytotoxicity, matching or outperforming combinations of monospecific antibodies with lectin-blocking or glycan-disrupting therapies. Furthermore, AbLecs synergized with blockade of the “don’t eat me” signal CD47 for enhanced tumor killing. AbLecs can be readily designed to target numerous tumor-associated antigens and glyco-immune checkpoint ligands, and therefore represent a new modality for cancer immune therapy. Graphical Abstract Antibody-lectin chimeras for glyco-immune checkpoint blockade

Asparagine-linked (N-linked) protein glycosylation is one of the most abundant types of post-translational modification, occurring in all domains of life. The central enzyme in N-linked glycosylation is the oligosaccharyltransferase (OST), which catalyzes the covalent attachment of preassembled glycans to specific asparagine residues in target proteins. Whereas in higher eukaryotes the OST is comprised of eight different membrane proteins of which the catalytic subunit is STT3, in kinetoplastids and prokaryotes the OST is a monomeric enzyme bearing homology to STT3. Given their relative simplicity, these single-subunit OSTs (ssOSTs) have emerged as important targets for mechanistic dissection of poorly understood aspects of N-glycosylation and at the same time hold great potential for the biosynthesis of custom glycoproteins. To take advantage of this utility, this chapter describes a multipronged approach for studying and engineering ssOSTs that integrates in vivo screening technology with in vitro characterization methods, thereby creating a versatile and readily-adaptable pipeline for virtually any ssOST of interest.

Conjugate vaccines are among the most effective methods for preventing bacterial infections, representing a promising strategy to combat drug-resistant pathogens. However, existing manufacturing approaches limit access to conjugate vaccines due to centralized production and cold chain distribution requirements. To address these limitations, we developed a modular technology for in vitro bioconjugate vaccine expression (iVAX) in portable, freeze-dried lysates from detoxified, nonpathogenic Escherichia coli. Upon rehydration, iVAX reactions synthesize clinically relevant doses of bioconjugate vaccines against diverse bacterial pathogens in one hour. We show that iVAX synthesized vaccines against the highly virulent pathogen Franciscella tularensis subsp. tularensis (type A) strain Schu S4 elicited pathogen-specific antibodies in mice at significantly higher levels compared to vaccines produced using engineered bacteria. The iVAX platform promises to accelerate development of new bioconjugate vaccines with increased access through refrigeration-independent distribution and point-of-care production.

Protein glycosylation, or the attachment of sugar moieties (glycans) to proteins, is important for protein stability, activity, and immunogenicity. However, understanding the roles and regulations of site-specific glycosylation events remains a significant challenge due to several technological limitations. These limitations include a lack of available tools for biochemical characterization of enzymes involved in glycosylation. A particular challenge is the synthesis of oligosaccharyltransferases (OSTs), which catalyze the attachment of glycans to specific amino acid residues in target proteins. The difficulty arises from the fact that canonical OSTs are large (>70 kDa) and possess multiple transmembrane helices, making them difficult to overexpress in living cells. Here, we address this challenge by establishing a bacterial cell-free protein synthesis platform that enables rapid production of a variety of OSTs in their active conformations. Specifically, by using lipid nanodiscs as cellular membrane mimics, we obtained yields of up to 440 ug/mL for the single-subunit OST enzyme, "Protein glycosylation B" (PglB) from Campylobacter jejuni, as well as for three additional PglB homologs from Campylobacter coli, Campylobacter lari, and Desulfovibrio gigas. Importantly, all of these enzymes catalyzed N-glycosylation reactions in vitro with no purification or processing needed. Furthermore, we demonstrate the ability of cell-free synthesized OSTs to glycosylate multiple target proteins with varying N-glycosylation acceptor sequons. We anticipate that this broadly applicable production method will advance glycoengineering efforts by enabling preparative expression of membrane-embedded OSTs from all kingdoms of life.

Glycosylation plays important roles in cellular function and endows protein therapeutics with beneficial properties. However, constructing biosynthetic pathways to study and engineer protein glycosylation remains a bottleneck. To address this limitation, we describe a modular, versatile cell-free platform for glycosylation pathway assembly by rapid in vitro mixing and expression (GlycoPRIME). In GlycoPRIME, crude cell lysates are enriched with glycosyltransferases by cell-free protein synthesis and then glycosylation pathways are assembled in a mix-and-match fashion to elaborate a single glucose priming handle installed by an N-linked glycosyltransferase. We demonstrate GlycoPRIME by constructing 37 putative protein glycosylation pathways, creating 23 unique glycan motifs. We then use selected pathways to design a one-pot cell-free system to synthesize a vaccine protein with an α-galactose motif and engineered Escherichia coli strains to produce human antibody constant regions with minimal sialic acid motifs. We anticipate that our work will facilitate glycoscience and make possible new glycoengineering applications.