Targeted bacteriophage (phage) particles are potentially attractive yet inexpensive platforms for immunization. Herein, we describe targeted phage capsid display of an immunogenically relevant epitope of the SARS-CoV-2 Spike protein that is empirically conserved, likely due to the high mutational cost among all variants identified to date. This observation may herald an approach to developing vaccine candidates for broad-spectrum, towards universal, protection against multiple emergent variants of coronavirus that cause COVID-19.

Abstract Development of effective vaccines against Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) is a global imperative. Rapid immunization of the world human population against a widespread, continually evolving, and highly pathogenic virus is an unprecedented challenge, and many different vaccine approaches are being pursued to meet this task. Engineered filamentous bacteriophage (phage) have unique potential in vaccine development due to their inherent immunogenicity, genetic plasticity, stability, cost-effectiveness for large-scale production, and proven safety profile in humans. Herein we report the design, development, and initial evaluation of targeted phage-based vaccination approaches against Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus-2 (SARS-CoV-2) by using dual ligand peptide-targeted phage and adeno-associated virus/phage (AAVP) particles. Towards a unique phage- and AAVP-based dual-display candidate approach, we first performed structure-guided antigen design to select six solvent-exposed epitopes of the SARS-CoV-2 spike (S) protein for display on the recombinant major capsid coat protein pVIII. Targeted phage particles carrying one of these epitopes induced a strong and specific humoral response. In an initial experimental approach, when these targeted phage particles were further genetically engineered to simultaneously display a ligand peptide (CAKSMGDIVC) on the minor capsid protein pIII, which enables receptor-mediated transport of phage particles from the lung epithelium into the systemic circulation (termed “dual-display”), they enhanced a systemic and specific spike (S) protein-specific antibody response upon aerosolization into the lungs of mice. In a second line of investigation, we engineered targeted AAVP particles to deliver the entire S protein gene under the control of a constitutive cytomegalovirus (CMV) promoter, which induced tissue-specific transgene expression stimulating a systemic S protein-specific antibody response. As proof-of-concept preclinical experiments, we show that targeted phage- and AAVP-based particles serve as robust yet versatile enabling platforms for ligand-directed immunization and promptly yield COVID-19 vaccine prototypes for further translational development. Significance The ongoing COVID-19 global pandemic has accounted for over 2.5 million deaths and an unprecedented impact on the health of mankind worldwide. Over the past several months, while a few COVID-19 vaccines have received Emergency Use Authorization and are currently being administered to the entire human population, the demand for prompt global immunization has created enormous logistical challenges--including but not limited to supply, access, and distribution--that justify and reinforce the research for additional strategic alternatives. Phage are viruses that only infect bacteria and have been safely administered to humans as antibiotics for decades. As experimental proof-of-concept, we demonstrated that aerosol pulmonary vaccination with lung-targeted phage particles that display short epitopes of the S protein on the capsid as well as preclinical vaccination with targeted AAVP particles carrying the S protein gene elicit a systemic and specific immune response against SARS-CoV-2 in immunocompetent mice. Given that targeted phage- and AAVP-based viral particles are sturdy yet simple to genetically engineer, cost-effective for rapid large-scale production in clinical grade, and relatively stable at room temperature, such unique attributes might perhaps become additional tools towards COVID-19 vaccine design and development for immediate and future unmet needs.

Analyses of ancient DNA typically involve sequencing the surviving short oligonucleotides and aligning to genome assemblies from related, modern species. Here, we report that skin from a female woolly mammoth (†Mammuthus primigenius) that died 52,000 years ago retained its ancient genome architecture. We use PaleoHi-C to map chromatin contacts and assemble its genome, yielding 28 chromosome-length scaffolds. Chromosome territories, compartments, loops, Barr bodies, and inactive X chromosome (Xi) superdomains persist. The active and inactive genome compartments in mammoth skin more closely resemble Asian elephant skin than other elephant tissues. Our analyses uncover new biology. Differences in compartmentalization reveal genes whose transcription was potentially altered in mammoths vs. elephants. Mammoth Xi has a tetradic architecture, not bipartite like human and mouse. We hypothesize that, shortly after this mammoth's death, the sample spontaneously freeze-dried in the Siberian cold, leading to a glass transition that preserved subfossils of ancient chromosomes at nanometer scale.

Abstract We use data-driven physical simulations to study the three-dimensional architecture of the Aedes aegypti genome. Hi-C maps exhibit both a broad diagonal and compart-mentalization with telomeres and centromeres clustering together. Physical modeling reveals that these observations correspond to an ensemble of 3D chromosomal structures that are folded over and partially condensed. Clustering of the centromeres and telomeres near the nuclear lamina appears to be a necessary condition for the formation of the observed structures. Further analysis of the mechanical properties of the genome reveals that the chromosomes of Aedes aegypti , by virtue of their atypical structural organization, are highly sensitive to the deformation of the nuclei. This last finding provides a possible physical mechanism linking mechanical cues to gene regulation.

Micromechanical studies of mitotic chromosomes have revealed them to be remarkably extensible objects and informed early models of mitotic chromosome organization. We use a data-driven, coarsegrained polymer modeling approach, capable of generating ensembles of chromosome structures that are quantitatively consistent with experiments, to explore the relationship between the spatial organization of individual chromosomes and their emergent mechanical properties. In particular, we investigate the mechanical properties of our model chromosomes by axially stretching them. Simulated stretching led to a linear force-extension curve for small strain, with mitotic chromosomes behaving about ten-fold stiffer than interphase chromosomes. Studying the relaxation dynamics we found that chromosomes are viscoelastic solids, with a highly liquid-like, viscous behavior in interphase that becomes solid-like in mitosis. This emergent mechanical stiffness in our model originates from lengthwise compaction, an effective potential capturing the activity of loop-extruding SMC complexes. Chromosomes denature under large strains via unraveling, which is characterized by opening of large-scale folding patterns. By quantifying the effect of mechanical perturbations on the chromosome’s structural features, our model provides a nuanced understanding of in vivo mechanics of chromosomes.

Abstract Applying simulations with structure-based (Gō-like) models has proven to be an effective strategy for investigating the factors that control biomolecular dynamics. The common element of these models is that some (or all) of the intra/inter-molecular inter-actions are explicitly defined to stabilize an experimentally-determined structure. To facilitate the development and application of this broad class of models, we previously released the SMOG 2 software package. This suite allows one to easily customize and distribute structure-based (i.e. SMOG) models for any type of polymer-ligand system. Since its original release, user feedback has driven the implementation of numerous enhancements. Here, we describe recent extensions to the software and demonstrate the capabilities of the most recent version, SMOG v2.4. Changes include new tools that aid user-defined customization of force fields, as well as an interface with the OpenMM simulation libraries (OpenSMOG v1.0). To illustrate the utility of these advances, we present several applications of SMOG2 and OpenSMOG, which include systems with millions of atoms, long polymers and explicit ions. We also highlight how one can incorporate non-structure-based (e.g. AMBER-based) energetics to define a hybrid class of models. The representative applications include large-scale rearrangements of the SARS-CoV-2 Spike protein, the HIV-1 capsid in the presence of explicit ions, and crystallographic lattices of ribosomes and proteins. In summary, SMOG 2 and OpenSMOG provide robust support for researchers who seek to apply structure-based models to large and/or intricate biomolecular systems.

The link between genomic structure and biological function is yet to be consolidated, it is, however, clear that physical manipulation of the genome, driven by the activity of a variety of proteins, is a crucial step. To understand the consequences of the physical forces underlying genome organization, we build a coarse-grained polymer model of the genome, featuring three fundamentally distinct classes of interactions: lengthwise compaction, i.e., compaction of chromosomes along its contour, self-adhesion among epigenetically similar genomic segments, and adhesion of chromosome segments to the nuclear envelope or lamina. We postulate that these three types of interactions sufficiently represent the concerted action of the different proteins organizing the genome architecture and show that an interplay among these interactions can recapitulate the architectural variants observed across the tree of life. The model elucidates how an interplay of forces arising from the three classes of genomic interactions can drive drastic, yet predictable, changes in the global genome architecture, and makes testable predictions. We posit that precise control over these interactions in vivo is key to the regulation of genome architecture.

Abstract The TKSAMC is a web server which calculates protein charge-charge interactions via the Tanford-Kirkwood Surface Accessibility model with the Monte Carlo method for sampling different protein protonation states. The optimization of charge-charge interactions via directed mutations has successfully enhanced the thermal stability of different proteins and could be a key to protein engineering improvement. The server presents the electrostatic free energy contribution of each polar-charged residue to protein native state stability. The server also indicates which residues contribute to destabilizing the protein native state with positive energy and the side chain exposed to solvent. This residue is a candidate for mutation to increase protein thermostability as a function of the chosen pH condition. The web server is freely available at UNESP (São Paulo State University - DF/IBILCE): http://tksamc.df.ibilce.unesp.br .

Abstract Ancient DNA (aDNA) sequencing analysis typically involves alignment to a modern reference genome assembly from a related species. Since aDNA molecules are fragmentary, these alignments yield information about small-scale differences, but provide no information about larger features such as the chromosome structure of ancient species. We report the genome assembly of a female Late Pleistocene woolly mammoth ( Mammuthus primigenius ) with twenty-eight chromosome-length scaffolds, generated using mammoth skin preserved in permafrost for roughly 52,000 years. We began by creating a modified Hi-C protocol, dubbed PaleoHi-C, optimized for ancient samples, and using it to map chromatin contacts in a woolly mammoth. Next, we developed “reference-assisted 3D genome assembly,” which begins with a reference genome assembly from a related species, and uses Hi-C and DNA-Seq data from a target species to split, order, orient, and correct sequences on the basis of their 3D proximity, yielding accurate chromosome-length scaffolds for the target species. By means of this reference-assisted 3D genome assembly, PaleoHi-C data reveals the 3D architecture of a woolly mammoth genome, including chromosome territories, compartments, domains, and loops. The active (A) and inactive (B) genome compartments in mammoth skin more closely resemble those observed in Asian elephant skin than the compartmentalization patterns seen in other Asian elephant tissues. Differences in compartmentalization between these skin samples reveal sequences whose transcription was potentially altered in mammoth. We observe a tetradic structure for the inactive X chromosome in mammoth, distinct from the bipartite architecture seen in human and mouse. Generating chromosome-length genome assemblies for two other elephantids (Asian and African elephant), we find that the overall karyotype, and this tetradic Xi structure, are conserved throughout the clade. These results illustrate that cell-type specific epigenetic information can be preserved in ancient samples, in the form of DNA geometry, and that it may be feasible to perform de novo genome assembly of some extinct species.

Mosquito-borne diseases have become a significant health issue in many regions around the world. For tropical countries, diseases such as Dengue, Zika, and Chikungunya, became epidemic in the last decades. Health surveillance reports during this period were crucial in providing scientific-based information to guide decision making and resources allocation to control outbreaks. In this work, we perform data analysis of last Chikungunya epidemics in the city of Rio de Janeiro by applying a compartmental mathematical model. We estimate the “basic reproduction number” for those outbreaks and predict the potential epidemic outbreak of Mayaro virus. We also simulated several scenarios with different public interventions to decrease the number of infected people. Such scenarios should provide insights about possible strategies to control future outbreaks.