De novo protein design holds promise for creating small stable proteins with shapes customized to bind therapeutic targets. We describe a massively parallel approach for designing, manufacturing and screening mini-protein binders, integrating large-scale computational design, oligonucleotide synthesis, yeast display screening and next-generation sequencing. We designed and tested 22,660 mini-proteins of 37–43 residues that target influenza haemagglutinin and botulinum neurotoxin B, along with 6,286 control sequences to probe contributions to folding and binding, and identified 2,618 high-affinity binders. Comparison of the binding and non-binding design sets, which are two orders of magnitude larger than any previously investigated, enabled the evaluation and improvement of the computational model. Biophysical characterization of a subset of the binder designs showed that they are extremely stable and, unlike antibodies, do not lose activity after exposure to high temperatures. The designs elicit little or no immune response and provide potent prophylactic and therapeutic protection against influenza, even after extensive repeated dosing. A massively parallel computational and experimental approach for de novo designing and screening small hyperstable proteins targeting influenza haemagglutinin and botulinum neurotoxin B identifies new therapeutic candidates more robust than traditional antibody therapies. De novo protein design is a powerful tool for preparing small proteins with desired folds and functions. In this work, David Baker and colleagues report a combined computational and experimental approach to designing and screening folded mini-proteins, consisting of around 40 residues, to bind and target influenza haemagglutinin, a protein on the surface of the flu virus, and botulinum neurotoxin B, a cause of botulism. This high-throughput method produces binding proteins that are more stable and much smaller than traditional antibody therapies, that can be readily modulated and that elicit very little immune response. The optimal haemagglutinin binders show protection against influenza infection in vivo, illustrating the potential of this method for antiviral and other therapeutic applications.

The binding and catalytic functions of proteins are generally mediated by a small number of functional residues held in place by the overall protein structure. Here, we describe deep learning approaches for scaffolding such functional sites without needing to prespecify the fold or secondary structure of the scaffold. The first approach, “constrained hallucination,” optimizes sequences such that their predicted structures contain the desired functional site. The second approach, “inpainting,” starts from the functional site and fills in additional sequence and structure to create a viable protein scaffold in a single forward pass through a specifically trained RoseTTAFold network. We use these two methods to design candidate immunogens, receptor traps, metalloproteins, enzymes, and protein-binding proteins and validate the designs using a combination of in silico and experimental tests.

Abstract Membranes are primary sites of perception of environmental stimuli. Polyunsaturated fatty acids are major structural constituents of membranes that also function as modulators of a multitude of signal transduction pathways evoked by environmental stimuli. Different stresses induce production of a distinct blend of oxygenated polyunsaturated fatty acids, “oxylipins.” We employed three Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) ecotypes to examine the oxylipin signature in response to specific stresses and determined that wounding and drought differentially alter oxylipin profiles, particularly the allene oxide synthase branch of the oxylipin pathway, responsible for production of jasmonic acid (JA) and its precursor 12-oxo-phytodienoic acid (12-OPDA). Specifically, wounding induced both 12-OPDA and JA levels, whereas drought induced only the precursor 12-OPDA. Levels of the classical stress phytohormone abscisic acid (ABA) were also mainly enhanced by drought and little by wounding. To explore the role of 12-OPDA in plant drought responses, we generated a range of transgenic lines and exploited the existing mutant plants that differ in their levels of stress-inducible 12-OPDA but display similar ABA levels. The plants producing higher 12-OPDA levels exhibited enhanced drought tolerance and reduced stomatal aperture. Furthermore, exogenously applied ABA and 12-OPDA, individually or combined, promote stomatal closure of ABA and allene oxide synthase biosynthetic mutants, albeit most effectively when combined. Using tomato (Solanum lycopersicum) and Brassica napus verified the potency of this combination in inducing stomatal closure in plants other than Arabidopsis. These data have identified drought as a stress signal that uncouples the conversion of 12-OPDA to JA and have revealed 12-OPDA as a drought-responsive regulator of stomatal closure functioning most effectively together with ABA.

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.

Many growth factors and cytokines signal by binding to the extracellular domains of their receptors and driving association and transphosphorylation of the receptor intracellular tyrosine kinase domains, initiating downstream signaling cascades. To enable systematic exploration of how receptor valency and geometry affect signaling outcomes, we designed cyclic homo-oligomers with up to 8 subunits using repeat protein building blocks that can be modularly extended. By incorporating a de novo-designed fibroblast growth factor receptor (FGFR)-binding module into these scaffolds, we generated a series of synthetic signaling ligands that exhibit potent valency- and geometry-dependent Ca2+ release and mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway activation. The high specificity of the designed agonists reveals distinct roles for two FGFR splice variants in driving arterial endothelium and perivascular cell fates during early vascular development. Our designed modular assemblies should be broadly useful for unraveling the complexities of signaling in key developmental transitions and for developing future therapeutic applications.

Abstract General approaches for designing sequence-specific peptide binding proteins would have wide utility in proteomics and synthetic biology. Although considerable progress has been made in designing proteins which bind to other proteins, the general peptide binding problem is more challenging as most peptides do not have defined structures in isolation, and to offset the loss in solvation upon binding the protein binding interface has to provide specific hydrogen bonds that complement the majority of the buried peptide’s backbone polar groups ( 1 – 3 ). Inspired by natural repeat protein-peptide complexes, and engineering efforts to alter their specificity ( 4 – 11 ), we describe a general approach for de novo design of proteins made out of repeating units that bind peptides with repeating sequences such that there is a one to one correspondence between repeat units on the protein and peptide. We develop a rapid docking plus geometric hashing method to identify protein backbones and protein-peptide rigid body arrangements that are compatible with bidentate hydrogen bonds between side chains on the protein and the backbone of the peptide ( 12 ); the remainder of the protein sequence is then designed using Rosetta to incorporate additional interactions with the peptide and drive folding to the desired structure. We use this approach to design, from scratch, alpha helical repeat proteins that bind six different tripeptide repeat sequences--PLP, LRP, PEW, IYP, PRM and PKW--in near polyproline 2 helical conformations. The proteins are expressed at high levels in E. coli, are hyperstable, and bind peptides with 4-6 copies of the target tripeptide sequences with nanomolar to picomolar affinities both in vitro and in living cells. Crystal structures reveal repeating interactions between protein and peptide interactions as designed, including a ladder of protein sidechain to peptide backbone hydrogen bonds. By redesigning the binding interfaces of individual repeat units, specificity can be achieved for non-repeating sequences, and for naturally occuring proteins containing disordered regions. Our approach provides a general route to designing specific binding proteins for a broad range of repeating and non-repetitive peptide sequences.

While there has been progress in the de novo design of small globular miniproteins (50-65 residues) to bind to primarily concave regions of a target protein surface, computational design of minibinders to convex binding sites remains an outstanding challenge due to low level of overall shape complementarity. Here, we describe a general approach to generate computationally designed proteins which bind to convex target sites that employ geometrically matching concave scaffolds. We used this approach to design proteins binding to TGFβRII, CTLA-4 and PD-L1 which following experimental optimization have low nanomolar to picomolar affinities and potent biological activity. Co-crystal structures of the TGFβRII and CTLA-4 binders in complex with the receptors are in close agreement with the design models. Our approach provides a general route to generating very high affinity binders to convex protein target sites.

Abstract In pseudocyclic proteins such as TIM barrels, β barrels, and some helical transmembrane channels, a single subunit is repeated in a cyclic pattern, giving rise to a central cavity which can serve as a pocket for ligand binding or enzymatic activity. Inspired by these proteins, we devised a deep learning-based approach to broadly exploring the space of closed repeat proteins starting from only a specification of the repeat number and length. Biophysical data for 38 structurally diverse pseudocyclic designs produced in E. coli are consistent with the design models, and two crystal structures we were able to obtain are very close to the designed structures. Docking studies suggest the diversity of folds and central pockets provide effective starting points for designing small molecule binders or enzymes.

We describe an approach for designing high-affinity small molecule–binding proteins poised for downstream sensing. We use deep learning–generated pseudocycles with repeating structural units surrounding central binding pockets with widely varying shapes that depend on the geometry and number of the repeat units. We dock small molecules of interest into the most shape complementary of these pseudocycles, design the interaction surfaces for high binding affinity, and experimentally screen to identify designs with the highest affinity. We obtain binders to four diverse molecules, including the polar and flexible methotrexate and thyroxine. Taking advantage of the modular repeat structure and central binding pockets, we construct chemically induced dimerization systems and low-noise nanopore sensors by splitting designs into domains that reassemble upon ligand addition.

Abstract Transcriptional regulators of general stress response (GSR) reprogram expression of selected genes to transduce informational signals into cellular events, ultimately manifested in plant’s ability to cope with environmental challenges. Identification of the core GSR regulatory proteins will uncover the principal modules and their mode of action in the establishment of adaptive responses. To define the GSR regulatory components, we employed a yeast-one-hybrid assay to identify the protein(s) that binds to the previously established functional GSR motif, coined Rapid Stress Response Element (RSRE). This led to the isolation of ORA47 (octadecanoid-responsive AP2/ERF-domain transcription factor 47), a Methyl jasmonate (MeJA) inducible protein. Subsequently, the ORA47 transcriptional activity was confirmed using RSRE-driven Luciferase (LUC) activity assay performed in the ORA47 loss- and gain-of-function lines introgressed into the 4xRSRE::Luc background. In addition, the prime contribution of CALMODULIN-BINDING TRANSCRIPTIONAL ACTIVATOR3 (CAMTA3) protein in induction of RSRE was reaffirmed by genetic studies. Moreover, exogenous application of MeJA led to enhanced levels of ORA47 and CAMTA3 transcripts, and the induction of RSRE::LUC activity. Metabolic analyses illustrated the reciprocal functional inputs of ORA47 and CAMTA3 in increasing JA levels. Lastly, transient assays identified JASMONATE ZIM-domain1 (JAZ1) as a repressor of RSRE::LUC activity. Collectively, the report provides a fresh insight into the initial mechanistic features of transducing the informational signals into adaptive responses in part via the complex functional interplay between JA biosynthesis/signaling cascade and the transcriptional reprogramming necessary for potentiation of GSR, while offering a window into the role of intraorganellar communication in the establishment of adaptive responses. Significance The work unmasks the initial mechanistic features of adaptive responses that include tight cooperativity between JA biosynthesis and signaling cascade and the nuclear transcriptional machinery comprised of two activators (CAMTA3 and ORA47) and a suppressor JAZ1). The work further identifies CAMTA3 as a functional link between JA signaling and activation of a general stress transcriptional hub.