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.

ABSTRACT Recently, our lab developed GlycoDelete, a technology suite that allows a radical simplification of eukaryotic N-glycosylation. The technology allows to produce glycoproteins that carry single GlcNAc, LacNAc, or LacNAc-Sia type glycans on their N-linked glycosylation sequons. GlycoDelete-type N-glycans are uniquely suited for glycan-based conjugation purposes, as these provide a short, homogeneous and hydrophilic link to the protein backbone. Targeting GlycoDelete-glycans allows for highly site-specific conjugation at sites in the protein which are normally occupied by bulky glycans, thus ensuring minimal interference with protein structure and function. The current manuscript describes the evaluation and optimization of both chemical and chemo-enzymatic conjugation of molecules onto the GlycoDelete-type glycans of a limited set of benchmark proteins.

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.

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.