The adeno-associated virus (AAV) holds great potential for gene therapy efforts by providing a viable vector. However, current efforts are constrained by a lack of AAV variants that exhibit specific tropisms or immunogenicity and a lack of sustainable industrial projection. Departing from experimental approaches to addressing these issues, we built a model to predict residue mutations to improve AAV production fitness. Our model leverages the evolutionary paradigm and microenvironment characteristics by analyzing structural AAV data without needing domain knowledge or experimental fitness data for AAV as inputs. When testing our model's predictions for AAV2 residue mutations, we found a threefold increase in the percent of mutations yielding variants with better production fitness than wild type compared to random mutations, achieving a p-value of 7.46×10 -12 . Given these results, our machine learning approach of using structural data to approximate fitness data has the potential to accelerate AAV development.

Abstract Delivery of systemically administered therapeutics to the central nervous system (CNS) is restricted by the blood-brain barrier (BBB). Bioengineered Adeno-Associated Virus (AAV) capsids have been shown to penetrate the BBB with great efficacy in mouse and non-human primate models, but their translational potential is often limited by species selectivity and undefined mechanisms of action. Here, we apply our RNA-guided TRACER AAV capsid evolution platform to generate VCAP-102, an AAV9 variant with markedly increased brain tropism following intravenous delivery in both rodents and primates. VCAP-102 demonstrates a similar CNS tropism in cynomolgus macaque, african green monkey, marmoset and mouse, showing 20- to 400-fold increased transgene expression across multiple brain regions relative to AAV9. We demonstrate that the enhanced CNS tropism of VCAP-102 results from direct interaction with alkaline phosphatase (ALPL), a highly conserved membrane-associated protein expressed on the brain vasculature. VCAP-102 interacts with human, primate and murine ALPL isoforms, and ectopic expression of ALPL is sufficient to initiate receptor-mediated transcytosis of VCAP-102 in an in vitro transwell model. Our work identifies VCAP-102 as a cross-species CNS gene delivery vector with a strong potential for clinical translation and establishes ALPL as a brain delivery shuttle capable of efficient BBB transport to maximize CNS delivery of biotherapeutics.