Thermal inactivation is a major bottleneck to the scalable production, storage, and transportation of protein-based reagents and therapies. Failures in temperature control both compromise protein bioactivity and increase the risk of microorganismal contamination. Herein, we report the rational design of fluorochemical additives that promiscuously bind to and coat the surfaces of proteins to enable their stable dispersion within fluorous solvents. By replacing traditional aqueous liquids with fluorinated media, this strategy conformationally rigidifies proteins to preserve their structure and function at extreme temperatures (≥90 °C). We show that fluorous protein formulations resist contamination by bacterial, fungal, and viral pathogens, which require aqueous environments for survival, and display equivalent serum bioavailability to standard saline samples in animal models. Importantly, by designing dispersants that decouple from the protein surface in physiologic solutions, we deliver a fluorochemical formulation that does not alter the pharmacologic function or safety profile of the functionalized protein in vivo. As a result, this nonaqueous protein storage paradigm is poised to open technological opportunities in the design of shelf-stable protein reagents and biopharmaceuticals.

Abstract Over 80% of biologic drugs, and 90% of vaccines, require temperature-controlled conditions throughout the supply chain to minimize thermal inactivation and contamination. This cold chain is costly, requires stringent oversight, and is impractical in remote environments. Here, we report chemical dispersants that non-covalently solvate proteins within fluorous liquids to alter their thermodynamic equilibrium and reduce conformational flexibility. This generates non-aqueous, fluorine-based liquid protein formulations that biochemically rigidify protein structure to yield thermally stable biologics at extreme temperatures (up to 90°C). These non-aqueous formulations are impervious to contamination by microorganismal pathogens, degradative enzymes, and environmental impurities, and display comparable pre-clinical serum half-life and safety profiles to standard saline protein samples. As a result, we deliver a fluorochemical formulation paradigm that may limit the need for cold chain logistics of protein reagents and biopharmaceuticals.

Abstract Lipid nanoparticle (LNP) delivery of clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR) ribonucleoproteins (RNPs) could enable high-efficiency, low-toxicity and scalable in vivo genome editing if efficacious RNP–LNP complexes can be reliably produced. Here we engineer a thermostable Cas9 from Geobacillus stearothermophilus (GeoCas9) to generate iGeoCas9 variants capable of >100× more genome editing of cells and organs compared with the native GeoCas9 enzyme. Furthermore, iGeoCas9 RNP–LNP complexes edit a variety of cell types and induce homology-directed repair in cells receiving codelivered single-stranded DNA templates. Using tissue-selective LNP formulations, we observe genome-editing levels of 16‒37% in the liver and lungs of reporter mice that receive single intravenous injections of iGeoCas9 RNP–LNPs. In addition, iGeoCas9 RNPs complexed to biodegradable LNPs edit the disease-causing SFTPC gene in lung tissue with 19% average efficiency, representing a major improvement over genome-editing levels observed previously using viral or nonviral delivery strategies. These results show that thermostable Cas9 RNP–LNP complexes can expand the therapeutic potential of genome editing.