Miniproteins against SARS-CoV-2 Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is decorated with spikes, and viral entry into cells is initiated when these spikes bind to the host angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor. Many monoclonal antibody therapies in development target the spike proteins. Cao et al. designed small, stable proteins that bind tightly to the spike and block it from binding to ACE2. The best designs bind with very high affinity and prevent SARS-CoV-2 infection of mammalian Vero E6 cells. Cryo–electron microscopy shows that the structures of the two most potent inhibitors are nearly identical to the computational models. Unlike antibodies, the miniproteins do not require expression in mammalian cells, and their small size and high stability may allow formulation for direct delivery to the nasal or respiratory system. Science , this issue p. 426

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.

We used two approaches to design proteins with shape and chemical complementarity to the receptor binding domain (RBD) of SARS-CoV-2 Spike protein near the binding site for the human ACE2 receptor. Scaffolds were built around an ACE2 helix that interacts with the RBD, or de novo designed scaffolds were docked against the RBD to identify new binding modes. In both cases, designed sequences were optimized first in silico and then experimentally for target binding, folding and stability. Nine designs bound the RBD with affinities ranging from 100pM to 10nM, and blocked bona fide SARS-CoV-2 infection of Vero E6 cells with IC 50 values ranging from 35 pM to 35 nM; the most potent of these - 56 and 64 residue hyperstable proteins made using the second approach - are roughly six times more potent on a per mass basis (IC 50 ~ 0.23 ng/ml) than the best monoclonal antibodies reported thus far. Cryo-electron microscopy structures of the SARS-CoV-2 spike ectodomain trimer in complex with the two most potent minibinders show that the structures of the designs and their binding interactions with the RBD are nearly identical to the computational models, and that all three RBDs in a single Spike protein can be engaged simultaneously. These hyperstable minibinders provide promising starting points for new SARS-CoV-2 therapeutics, and illustrate the power of computational protein design for rapidly generating potential therapeutic candidates against pandemic threats.

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 The design of proteins that bind to a specific site on the surface of a target protein using no information other than the three-dimensional structure of the target remains an outstanding challenge. We describe a general solution to this problem which starts with a broad exploration of the very large space of possible binding modes and interactions, and then intensifies the search in the most promising regions. We demonstrate its very broad applicability by de novo design of binding proteins to 12 diverse protein targets with very different shapes and surface properties. Biophysical characterization shows that the binders, which are all smaller than 65 amino acids, are hyperstable and bind their targets with nanomolar to picomolar affinities. We succeeded in solving crystal structures of four of the binder-target complexes, and all four are very close to the corresponding computational design models. Experimental data on nearly half a million computational designs and hundreds of thousands of point mutants provide detailed feedback on the strengths and limitations of the method and of our current understanding of protein-protein interactions, and should guide improvement of both. Our approach now enables targeted design of binders to sites of interest on a wide variety of proteins for therapeutic and diagnostic applications.