De novo design and Rosetta‐based assessment of high‐affinity antibody variable regions (Fv) against the <span style="font-variant:small-caps;">SARS‐CoV</span> ‐2 spike receptor binding domain ( <span style="font-variant:small-caps;">RBD</span> )

Motivation

• Known: SARS-CoV-2 RBD는 중화 항체의 주요 표적이며, 신흥 변이주들은 면역회피 능력을 갖춘 RBD 돌연변이를 포함하고 있다. 기존 항체는 이러한 변이주에 대해 효과성이 감소하는 문제가 있다.
• Gap: 기존 항체를 재설계하거나 라이브러리 선별 기반 접근법은 많지만, 특정 SARS-CoV-2 RBD 에피토프를 표적하는 완전히 새로운 고친화도 항체의 구조 기반 설계 연구는 부족하다.
• Why: 신흥 SARS-CoV-2 변이주에 빠르고 저렴하게 대응할 수 있는 중화 항체 설계 방법이 필요하며, 계산적 설계 워크플로우는 다른 항원 표적에도 신속히 적용 가능하다.
• Approach: OptMAVEn-2.0으로 hACE2 결합 부위의 용매 노출 잔기를 표적하는 항체 변수 영역을 de novo 설계하고, Rosetta 기반 친화성 성숙화를 수행한 후, DeepAb와 Rosetta SnugDock으로 상위 5개 설계를 검증했다.

Achievement

Figure 5 shows the sequence alignment of the five selected

• de novo 항체 설계: 106개의 서로 다른 항체 설계를 생성하고, 계산적 결합 친화도와 인간 서열 유사도의 trade-off를 고려하여 상위 5개 설계를 선정
• 친화성 성숙화: Rosetta 기반 3회 반복 백본 교란과 인터페이스 설계를 통해 8000개의 친화성 성숙화 순환 실행
• 유망 후보 식별: P1.D1이 강한 상호작용 에너지 점수와 높은 인간 서열 유사도(H-score)를 보여 실험적 검증을 위한 특히 유망한 후보로 선정
• 계산적 워크플로우: 신흥 SARS-CoV-2 변이주의 스파이크 에피토프 또는 다른 항원 표적으로 빠르게 재적용 가능한 종합적 계산 설계 및 평가 워크플로우 제시

How

• OptMAVEn-2.0을 사용하여 3234개의 항원 포즈와 1.25 Å 원자간 충돌 기준점으로 VDJ 유전자 재조합 기반 초기 항체 설계 생성
• Rosetta를 이용한 친화성 성숙화: RosettaDock 정제 후 RosettaBackrub으로 백본 교란, RosettaDesign으로 인터페이스 설계, Monte Carlo 시뮬레이션 담금질로 로타머 재패킹 수행
• FastRelax와 제약 조건을 사용하여 각 완화 포즈를 10회 반복 실행하고 InterfaceAnalyzer로 결합 에너지(dG_separated) 계산
• DeepAb와 ABodyBuilder를 사용하여 상위 설계의 항체 구조 모델 생성
• SnugDock으로 항체-항원 복합체 모델링: 0-360도 스핀, 가우시안 분포 기반 무작위 교란(3 Å, 8도), CDR H2/H3 루프 및 VL-VH 방향 정제, 각 실행마다 1000개 모델 생성 후 상위 10개 decoy 선택

Originality

• SARS-CoV-2 RBD의 hACE2 결합 잔기를 표적하는 완전히 새로운 고친화도 항체 설계에 대한 최초의 체계적 de novo 계산 설계 연구
• 계산적 결합 친화도와 인간 서열 유사도(human string content score) 간의 Pareto 최적성 트레이드오프를 명시적으로 고려하여 임상 실행 가능성 증진
• OptMAVEn-2.0, Rosetta, DeepAb를 통합한 종합적 다단계 검증 워크플로우로 설계 신뢰성 향상
• 신흥 변이주에 빠르게 적응 가능한 재사용 가능한 계산 설계 및 평가 파이프라인 제시

Limitation & Further Study

• 상위 5개 설계 중 P1.D1만 강조되었으며, 다른 4개 설계의 구체적 특성이나 선정 이유가 상세히 기술되지 않음
• 실험적 검증 데이터가 부재하여 계산 점수와 실제 중화 활성 간의 상관관계 확립 불가
• 단일 에피토프(hACE2 결합 부위)만 표적했으므로, RBD의 다른 에피토프에 대한 다양한 항체 설계 필요
• 인간 항체 라이브러리 기반 human string content score 계산이 완전한 임상 안전성을 보장하지는 않을 수 있음
• DeepAb와 같은 ML 기반 구조 예측의 정확도 한계가 최종 설계의 신뢰성에 영향을 미칠 수 있음
• 후속 연구에서는 P1.D1 및 다른 상위 후보의 생화학적 특성 평가, 실제 중화 활성 측정, 다양한 SARS-CoV-2 변이주에 대한 교차 반응성 검증 필요

Evaluation

총평: 이 연구는 SARS-CoV-2 RBD를 표적하는 de novo 항체 설계의 첫 체계적 시도로, 계산적 방법과 인간 서열 유사도를 통합한 혁신적 워크플로우를 제시한다. 실험적 검증이 후속되면 신흥 변이주 대응 항체 개발의 새로운 패러다임을 확립할 수 있는 가능성이 높다.