De novo protein design has been successful in expanding the natural protein repertoire. However, most de novo proteins lack biological function, presenting a major methodological challenge. In vaccinology, the induction of precise antibody responses remains a cornerstone for next-generation vaccines. Here, we present a novel protein design algorithm, termed TopoBuilder, with which we engineered epitope-focused immunogens displaying complex structural motifs. Both in mice and non-human primates, cocktails of three de novo designed immunogens induced robust neutralizing responses against the respiratory syncytial virus. Furthermore, the immunogens refocused pre-existing antibody responses towards defined neutralization epitopes. Overall, our de novo design approach opens the possibility of targeting specific epitopes for vaccine and therapeutic antibody development, and more generally will be applicable to design de novo proteins displaying complex functional motifs.

Throughout the last decades, vaccination has been key to prevent and eradicate infectious diseases. However, many pathogens (e.g. respiratory syncytial virus (RSV), influenza, dengue and others) have resisted vaccine development efforts, largely due to the failure to induce potent antibody responses targeting conserved epitopes. Deep profiling of human B-cells often reveals potent neutralizing antibodies that emerge from natural infection, but these specificities are generally subdominant (i.e., are present in low titers). A major challenge for next-generation vaccines is to overcome established immunodominance hierarchies and focus antibody responses on crucial neutralization epitopes. Here, we show that a computationally designed epitope-focused immunogen presenting a single RSV neutralization epitope elicits superior epitope-specific responses compared to the viral fusion protein. In addition, the epitope-focused immunogen efficiently boosts antibodies targeting the Palivizumab epitope, resulting in enhanced neutralization. Overall, we show that epitope-focused immunogens can boost subdominant neutralizing antibody responses in vivo and reshape established antibody hierarchies.

Abstract The microbiota contributes to shaping efficient and safe immune defenses in the gut. However, little is known about the role of the microbiota in the education of pulmonary innate immune responses. Here, we tested whether the endogenous microbiota can modulate reactivity of pulmonary tissue to pathogen stimuli by comparing the response of specific pathogen-free (SPF) and germ-free (GF) mice. Using SPF and GF mice intranasally exposed to lipopolysaccharide (LPS), a component of Gram-negative bacteria, we observed earlier and greater inflammation in the pulmonary compartment of GF mice than that of SPF mice. Toll-like receptor 4 (TLR4) was more abundantly expressed in the lungs of GF mice than those of SPF mice at steady state, which could predispose the innate immunity of GF mice to strongly react to environmental stimuli. Lung explants were stimulated with different TLR agonists or infected with the human airways pathogen, respiratory syncytial virus (RSV), resulting in greater inflammation under almost all conditions for the GF explants. Finally, alveolar macrophages (AM) from GF mice presented a higher innate immune response upon RSV infection than those of SPF mice. Overall, these data suggest that the presence of microbiota in SPF mice induced a process of innate immune tolerance in the lungs by a mechanism which remains to be elucidated. Our study represents a step forward to establishing the link between the microbiota and the immune reactivity of the lungs. Plain Language summary Microbiota represents an important partner of immunologic system at the interface between immune cells and epithelium. It is well known, notably in the gut, that the microbiota contributes in shaping efficient and safe defenses. However, little is known about the role of the microbiota in the education of pulmonary innate immune responses. In this study, we postulate that endogenous microbiota could dampen an excessive reactivity of pulmonary tissue to external stimuli. Thus, we sought to study the innate immune reaction switched on by viral or bacterial ligands in respiratory tract cells coming from mice with or without microbiota (germ-free condition, GF). Altogether, our results show a higher inflammatory reaction in GF condition. This study represents a step forward to better establish the link between the microbiota and the reactivity of the lung tissue. Not only these data demonstrate that the microbiota educates the pulmonary innate immune system, but also contributes the emerging concept of using respiratory commensal bacteria as potential next-generation probiotics to prevent susceptibility to respiratory diseases.