Coronaviruses make use of a large envelope protein called spike (S) to engage host cell receptors and catalyze membrane fusion. Because of the vital role that these S proteins play, they represent a vulnerable target for the development of therapeutics. Here, we describe the isolation of single-domain antibodies (VHHs) from a llama immunized with prefusion-stabilized coronavirus spikes. These VHHs neutralize MERS-CoV or SARS-CoV-1 S pseudotyped viruses, respectively. Crystal structures of these VHHs bound to their respective viral targets reveal two distinct epitopes, but both VHHs interfere with receptor binding. We also show cross-reactivity between the SARS-CoV-1 S-directed VHH and SARS-CoV-2 S and demonstrate that this cross-reactive VHH neutralizes SARS-CoV-2 S pseudotyped viruses as a bivalent human IgG Fc-fusion. These data provide a molecular basis for the neutralization of pathogenic betacoronaviruses by VHHs and suggest that these molecules may serve as useful therapeutics during coronavirus outbreaks.

ABSTRACT The pathogenic Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV), severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV-1) and COVID-19 coronavirus (SARS-CoV-2) have all emerged into the human population with devastating consequences. These viruses make use of a large envelope protein called spike (S) to engage host cell receptors and catalyze membrane fusion. Because of the vital role that these S proteins play, they represent a vulnerable target for the development of therapeutics to combat these highly pathogenic coronaviruses. Here, we describe the isolation and characterization of single-domain antibodies (VHHs) from a llama immunized with prefusion-stabilized coronavirus spikes. These VHHs are capable of potently neutralizing MERS-CoV or SARS-CoV-1 S pseudotyped viruses. The crystal structures of these VHHs bound to their respective viral targets reveal two distinct epitopes, but both VHHs block receptor binding. We also show cross-reactivity between the SARS-CoV-1 S-directed VHH and SARS-CoV-2 S, and demonstrate that this cross-reactive VHH is capable of neutralizing SARS-CoV-2 S pseudotyped viruses as a bivalent human IgG Fc-fusion. These data provide a molecular basis for the neutralization of pathogenic betacoronaviruses by VHHs and suggest that these molecules may serve as useful therapeutics during coronavirus outbreaks.

Abstract We have identified camelid single-domain antibodies (VHHs) that cross-neutralize SARS-CoV-1 and −2, such as VHH72, which binds to a unique highly conserved epitope in the viral receptor-binding domain (RBD) that is difficult to access for human antibodies. Here, we establish a protein engineering path for how a stable, long-acting drug candidate can be generated out of such a VHH building block. When fused to human IgG1-Fc, the prototype VHH72 molecule prophylactically protects hamsters from SARS-CoV-2. In addition, we demonstrate that both systemic and intranasal application protects hACE-2-transgenic mice from SARS-CoV-2 induced lethal disease progression. To boost potency of the lead, we used structure-guided molecular modeling combined with rapid yeast-based Fc-fusion prototyping, resulting in the affinity-matured VHH72_S56A-Fc, with subnanomolar SARS-CoV-1 and −2 neutralizing potency. Upon humanization, VHH72_S56A was fused to a human IgG1 Fc with optimized manufacturing homogeneity and silenced effector functions for enhanced safety, and its stability as well as lack of off-target binding was extensively characterized. Therapeutic systemic administration of a low dose of VHH72_S56A-Fc antibodies strongly restricted replication of both original and D614G mutant variants of SARS-CoV-2 virus in hamsters, and minimized the development of lung damage. This work led to the selection of XVR011 for clinical development, a highly stable anti-COVID-19 biologic with excellent manufacturability. Additionally, we show that XVR011 is unaffected in its neutralizing capacity of currently rapidly spreading SARS-CoV-2 variants, and demonstrate its unique, wide scope of binding across the Sarbecovirus clades.

Abstract In the standard toolkit for recombinant protein expression, the yeast known in biotechnology as Pichia pastoris (formally: Komagataella phaffii ) takes up the position between E. coli and HEK293 or CHO mammalian cells, and is used by thousands of laboratories both in academia and industry. The organism is eukaryotic yet microbial, and grows to extremely high cell densities while secreting proteins into its fully defined growth medium, using very well established strong inducible or constitutive promoters. Many products made in Pichia are in the clinic and in industrial markets. Pichia is also a favoured host for the rapidly emerging area of ‘precision fermentation’ for the manufacturing of food proteins. However, the earliest steps in the development of the industrial strain (NRRL Y-11430/CBS 7435) that is used throughout the world were performed prior to 1985 in industry (Phillips Petroleum Company) and are not in the public domain. Moreover, despite the long expiry of associated patents, the patent deposit NRRL Y-11430/CBS 7435 that is the parent to all commonly used industrial strains, is not or no longer made freely available through the resp. culture collections. This situation is far from ideal for what is a major chassis for synthetic biology, as it generates concern that novel applications of the system are still encumbered by licensing requirements of the very basic strains. In the spirit of open science and freedom to operate for what is a key component of biotechnology, we set out to resolve this by using genome sequencing of type strains, reverse engineering where necessary, and comparative protein expression and strain characterisation studies. We find that the industrial strains derive from the K. phaffii type strain lineage deposited as 54-11.239 in the UC Davis Phaff Yeast Strain collection by Herman Phaff in 1954. This type strain has valid equivalent deposits that are replicated/derived from it in other yeast strain collections, incl. in ARS-NRRL NRRL YB-4290 (deposit also made by Herman Phaff) and NRRL Y-7556, CBS 2612 and NCYC 2543. We furthermore discovered that NRRL Y-11430 and its derivatives carry an ORF-truncating mutation in the HOC1 cell wall synthesis gene, and that reverse engineering of a similar mutation in the NCYC 2543 type strain imparts the high transformability that is characteristic of the industrial strains. Uniquely, the NCYC 2543 type strain, which we propose to call ‘OPENPichia’ henceforth, is freely available from the NCYC culture collection, incl. resale and commercial production licenses at nominal annual licensing fees 1 . Furthermore, our not-for-profit research institute VIB has also acquired a resale/distribution license from NCYC, which we presently use to openly provide to end-users our genome-sequenced OPENPichia subclone strain and its derivatives, i.e., currently the highly transformable hoc1 tr and the his4 auxotrophic mutants. To complement the OPENPichia platform, a fully synthetic modular gene expression vector building toolkit was developed, which is also openly distributed, for any purpose. We invite other researchers to contribute to our open science resource-building effort to establish a new unencumbered standard chassis for Pichia synthetic biology.

Abstract As small and stable high-affinity antigen binders, VHHs boast attractive characteristics both for therapeutic use in various disease indications, and as versatile reagents in research and diagnostics. To further increase the versatility of VHHs, we explored the VHH scaffold in a structure-guided approach to select regions where the introduction of an N-glycosylation N-X-T sequon and its associated glycan should not interfere with protein folding or epitope recognition. We expressed variants of such glycoengineered VHHs in the Pichia pastoris GlycoSwitchM5 strain, allowing us to pinpoint preferred sites at which Man 5 GlcNAc 2 -glycans can be introduced at high site occupancy without affecting antigen binding. A VHH carrying predominantly a Man 5 GlcNAc 2 N-glycan at one of these preferred sites showed highly efficient, glycan-dependent uptake by Mf4/4 macrophages in vitro and by alveolar lung macrophages in vivo, illustrating one potential application of glyco-engineered VHHs: a glycan-based targeting approach for lung macrophage endolysosomal system delivery. The set of optimal artificial VHH N-glycosylation sites identified in this study can serve as a blueprint for targeted glyco-engineering of other VHHs, enabling site-specific functionalization through the rapidly expanding toolbox of synthetic glycobiology.

Synopsis Background The major global health threat tuberculosis is caused by Mycobacterium tuberculosis (Mtb). Mtb has a complex cell envelope – a partially covalently linked composite of polysaccharides, peptidoglycan and lipids, including a mycolic acid layer – which conveys pathogenicity but also protects against antibiotics. Given previous successes in treating gram-positive and -negative infections with cell wall degrading enzymes, we investigated such approach for Mtb. Objectives (i) Development of an Mtb microtiter growth inhibition assay that allows undisturbed cell envelope formation, to overcome the invalidation of results by typical clumped Mtb-growth in surfactant-free assays. (ii) Exploring anti-Mtb potency of cell wall layer-degrading enzymes. (iii) Investigation of the concerted action of several such enzymes. Methods We inserted a bacterial luciferase-operon in an auxotrophic Mtb strain to develop a microtiter assay that allows proper evaluation of cell wall degrading anti-Mtb enzymes. We assessed growth-inhibition by enzymes (recombinant mycobacteriophage mycolic acid esterase (LysB), fungal α-amylase and human and chicken egg white lysozymes) and combinations thereof, in presence or absence of biopharmaceutically acceptable surfactant. Results Our biosafety level-2 assay identified both LysB and lysozymes as potent Mtb-inhibitors, but only in presence of surfactant. Moreover, most potent disruption of the mycolic acid hydrophobic barrier was obtained by the highly synergistic combination of LysB, α-amylase and polysorbate 80. Conclusions Synergistically acting cell wall degrading enzymes are potently inhibiting Mtb – which sets the scene for the design of specifically tailored antimycobacterial (fusion) enzymes. Airway delivery of protein therapeutics has already been established and should be studied in animal models for active TB.

Mutant resources are essential to improve our understanding of the biology of slow-growing mycobacteria, which include the causative agents of tuberculosis in various species, including humans. The generation of deletion mutants in slow-growing mycobacteria in a gene-by-gene approach in order to make genome-wide ordered mutant resources is still a laborious and costly approach; despite the recent development of improved methods. On the other hand, transposon mutagenesis in combination with Cartesian Pooling-Coordinate Sequencing allows the creation of large archived Mycobacterium transposon insertion libraries. However, such mutants contain selection marker genes with a risk of polar gene effects, which is undesired both for research and for use of these mutants as live attenuated vaccines. In this paper, a derivative of the Himar1 transposon is described, which allows the generation of clean, markerless knockouts from archived transposon libraries. By incorporating FRT sites for FlpE/FRT-mediated recombination and I-SceI sites for ISceIM-based transposon removal, we enable two thoroughly experimentally validated possibilities to create unmarked mutants from such marked transposon mutants. The FRT approach is highly efficient but leaves an FRT scar in the genome, whereas the I-SceI mediated approach can create mutants without any heterologous DNA in the genome. The combined use of CP-CSeq and this optimized transposon was applied in the BCG Danish 1331 vaccine strain (WHO reference 07/270), creating the largest ordered, characterized resource of mutants in a member of the M. tb complex (18,432 clones, mutating 83% of the non-essential M. tb homologues), from which clean knockouts can be generated.

Abstract Monoclonal antibodies are the leading drug of the biopharmaceutical market because of their high specificity and tolerability, but the current CHO-based manufacturing platform remains expensive and time-consuming leading to limited accessibility, especially in the case of diseases with high incidence and pandemics. Therefore, there is an urgent need for an alternative production system. In this study, we present a rapid and cost-effective microbial platform for heavy chain-only antibodies (VHH-Fc) in the methylotrophic yeast Komagataella phaffii (aka Pichia pastoris ). We demonstrate the potential of this platform using a simplified single-gene VHH-Fc fusion construct instead of the conventional monoclonal antibody format, as this is more easily expressed in Pichia pastoris . We demonstrate that the Pichia -produced VHH-Fc fusion construct is stable and that a Pichia -produced VHH-Fc directed against the SARS-CoV-2 spike has potent SARS-CoV-2 neutralizing activity in vitro and in vivo . We expect that this platform will pave the way towards faster and cheaper development and production of broadly neutralizing single-chain antibodies in yeast.

Abstract Currently circulating SARS-CoV-2 variants have gained complete or significant resistance to all SARS-CoV-2-neutralizing antibodies that have been used in the clinic. Such antibodies can prevent severe disease in SARS-CoV-2 exposed patients for whom vaccines may not provide optimal protection. Here, we describe single-domain antibodies (VHHs), also known as nanobodies, that can broadly neutralize SARS-CoV-2 with unusually high potency. Structural analysis revealed their binding to a unique, highly conserved, membrane proximal, quaternary epitope in the S2 subunit of the spike. Furthermore, a VHH-human IgG1 Fc fusion, efficiently expressed in Chinese hamster ovary cells as a stable antibody construct, protected hamsters against SARS-CoV-2 replication in a therapeutic setting when administered systemically at low dose. This VHH-based antibody represents a new candidate anti-COVID-19 biologic that targets the Achilles heel of the viral spike.