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.

Maintaining adequate levels of antiretroviral (ARV) medications is crucial for the efficacy of HIV treatment and prevention regimens. Monitoring ARV levels can predict or prevent adverse health outcomes like treatment failure or drug resistance. However, conventional ARV measurement using liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) is slow, expensive, and centralized delaying clinical and behavioral interventions. We previously developed a rapid enzymatic assay for measuring nucleotide reverse transcriptase inhibitors (NRTIs) — the backbone of HIV treatment and prevention regimens — based on the drugs' termination of DNA synthesis by HIV reverse transcriptase (RT) enzyme. Here we expand our work to include non-nucleoside reverse transcriptase inhibitors (NNRTIs) — an ARV class used in established and emerging HIV treatment and prevention regimens. We demonstrate that the REverse Transcriptase ACTivity (REACT) assay can detect NNRTIs including medications used in oral and long-acting/extended-release HIV treatment and prevention. We demonstrate that REACT can measure NNRTIs spiked in either buffer or diluted plasma, and that fluorescence can be measured on both a traditional plate reader and an inexpensive portable reader that can be deployed in point-of-care (POC) settings. REACT measured clinically relevant concentrations of five NNRTI spiked in aqueous buffer. REACT measurements showed excellent agreement between the plate reader and the portable reader, with a high correlation in both aqueous buffer (Pearson's r=0.9807, P < 0.0001) and diluted plasma (Pearson's r = 0.9681, P < 0.0001). REACT has the potential to provide rapid measurement of NNRTIs in POC settings and may help to improve HIV treatment and prevention outcomes.

No vaccines or antivirals are approved against Venezuelan equine encephalitis virus (VEEV) infection in humans. To improve our understanding of VEEV-host interactions, we simultaneously profiled host transcriptome and viral RNA (vRNA) in thousands of single cells during infection of human astrocytes. Host transcription was suppressed, and “superproducer cells” with extreme vRNA abundance and altered transcriptome emerged during the first viral life cycle. Cells with increased structural-to-nonstructural transcript ratio demonstrated upregulation of trafficking genes at later time points. Loss- and gain-of-function experiments confirmed pro- and antiviral host factors. Single-cell deep sequencing analysis identified a viral E3 protein mutation altering host gene expression. Lastly, comparison with data from other viruses highlighted common and unique pathways perturbed by infection across evolutionary scales. This study provides a high-resolution characterization of the cellular response to VEEV infection, identifies candidate targets for antivirals, and establishes a comparative single-cell approach to study the evolution of virus-host interactions.