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.

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 Many pharmaceutically-relevant cell surface receptors are functional only in the context of intact cells. Phage display, while being a powerful method for the discovery of ligands for purified proteins often fails to identify a diverse set of ligands to receptors on a cell membrane mosaic. To understand this deficiency, we examined growth bias in naïve phage display libraries and observed that it fundamentally changes selection outcomes: The presence of growth-biased (parasite) phage clones in a phage library is detrimental to selection and cell-based panning of such biased libraries is poised to yield ligands from within a small parasite population. Importantly, amplification of phage libraries in water-oil emulsions suppressed the amplification of parasites and steered the selection of biased phage libraries away from parasite population. Attenuation of the growth bias through the use of emulsion amplification reproducibly discovers the ligands for cell-surface receptors that cannot be identified in screen that use conventional ‘bulk’ amplification. Abstract Figure Find Ligands in Droplets Canonical phage display selection of ligands for breast cancer cells, which uses bulk amplification (BA) of phage library, reproducibly identified peptide ligands from a ~0.0001% sub-population of the library, which harbors fast-growing phage. Replacing BA by emulsion-amplification (EmA) altered the selection landscape and yielded cell-binding ligands not accessible to conventional phage-display select