Thermostable designed ankyrin repeat proteins (DARPins) as building blocks for innovative drugs

Designed ankyrin repeat proteins (DARPins) are antibody mimetics with high and mostly unexplored potential in drug development. By using in silico analysis and a rationally guided Ala scanning, we identified position 17 of the N-terminal capping repeat to play a key role in overall protein thermostability. The melting temperature of a DARPin domain with a single full-consensus internal repeat was increased by 8 °C to 10 °C when Asp17 was replaced by Leu, Val, Ile, Met, Ala, or Thr. We then transferred the Asp17Leu mutation to various backgrounds, including clinically validated DARPin domains, such as the vascular endothelial growth factor-binding domain of the DARPin abicipar pegol. In all cases, these proteins showed improvements in the thermostability on the order of 8 °C to 16 °C, suggesting the replacement of Asp17 could be generically applicable to this drug class. Molecular dynamics simulations showed that the Asp17Leu mutation reduces electrostatic repulsion and improves van-der-Waals packing, rendering the DARPin domain less flexible and more stable. Interestingly, this beneficial Asp17Leu mutation is present in the N-terminal caps of three of the five DARPin domains of ensovibep, a SARS-CoV-2 entry inhibitor currently in clinical development, indicating this mutation could be partly responsible for the very high melting temperature (>90 °C) of this promising anti-COVID-19 drug. Overall, such N-terminal capping repeats with increased thermostability seem to be beneficial for the development of innovative drugs based on DARPins. Keywords: DARPin; N-terminal capping repeat; abicipar pegol; designed ankyrin repeat protein; drug development; drug engineering; ensovibep; molecular dynamics; thermostabilit

Lernaufgaben als didaktische Möglichkeit einer Lernortkooperation in der Berufsausbildung. Wie können Lernaufgaben den Transfer zwischen den Lernorten (Berufsfachschule, überbetrieblicher Kurs und Betrieb) fördern und deren Zusammenarbeit entwickeln?

Lernortkooperation, ein Schlagwort in der Bildung. Seit geraumer Zeit intensiv diskutiert und doch noch nicht gelebter Unterrichtsalltag. Weder auf curricularer Ebene ausführlich festgeschrieben, noch auf Mikroebene umgesetzt, spielt Lernortkooperation, trotz bewiesener Erfolgsfaktoren, (noch) keine grosse Rolle in der beruflichen Grundbildung der Drucktechnologen und Drucktechnologinnen in St. Gallen. Der Fragestellung; «Wie können Lernaufgaben den Transfer zwischen den Lernorten (Berufsfachschule, überbetrieblicher Kurs und Betrieb) fördern und deren Zusammenarbeit entwickeln? » Soll in der Arbeit eingegangen werden. Die Arbeit beleuchtet die Situation an der Berufsfachschule Schule für Gestaltung St. Gallen und dies konkret in der Berufsgruppe der Drucktechnologen und Drucktechnologinnen EFZ. Nebst IST-Analysen, Rahmenbedingungen und Vorraussetzungen für Lernortkooperation, sollen zwei Lernaufgaben reflektiert werden, die mögliche Ansätze von Lernortkooperationen aufzeigen. Es soll zudem zum Ausdruck kommen, dass niederschwellig über Lernaufgaben oder Lehr-Lern-Arrangements, Kooperationen mit anderen Bildungspartnern möglich sind. Das bedeutet, die Arbeit soll Lernortkooperation auf eine Ebene bringen, auf der es möglich sein soll, ohne grossen äusseren Einschränkungen und Aufwände seitens der Kooperationspartnern, Lernortkooperationen anzugehen. Die Arbeit soll einen kleinen Beitrag dazu leisten, dass bei der Thematik Lernortkooperation die Perspektive auch auf eine angenehme Flughöhe gelegt werden kann. Eines sollte uns bewusst sein und dies hat man schon vor zwanzig Jahren festgestellt: «Die Kooperation der Lernorte ist eine wesentliche Voraussetzung für die Steigerung der Leistungsfähigkeit des dualen Systems.» (KMK, 1997, S. 8)

Lernaufgaben als didaktische Möglichkeit einer Lernortkooperation in der Berufsausbildung. Wie können Lernaufgaben den Transfer zwischen den Lernorten (Berufsfachschule, überbetrieblicher Kurs und Betrieb) fördern und deren Zusammenarbeit entwickeln?

Lernortkooperation, ein Schlagwort in der Bildung. Seit geraumer Zeit intensiv diskutiert und doch noch nicht gelebter Unterrichtsalltag. Weder auf curricularer Ebene ausführlich festgeschrieben, noch auf Mikroebene umgesetzt, spielt Lernortkooperation, trotz bewiesener Erfolgsfaktoren, (noch) keine grosse Rolle in der beruflichen Grundbildung der Drucktechnologen und Drucktechnologinnen in St. Gallen. Der Fragestellung; «Wie können Lernaufgaben den Transfer zwischen den Lernorten (Berufsfachschule, überbetrieblicher Kurs und Betrieb) fördern und deren Zusammenarbeit entwickeln? » Soll in der Arbeit eingegangen werden. Die Arbeit beleuchtet die Situation an der Berufsfachschule Schule für Gestaltung St. Gallen und dies konkret in der Berufsgruppe der Drucktechnologen und Drucktechnologinnen EFZ. Nebst IST-Analysen, Rahmenbedingungen und Vorraussetzungen für Lernortkooperation, sollen zwei Lernaufgaben reflektiert werden, die mögliche Ansätze von Lernortkooperationen aufzeigen. Es soll zudem zum Ausdruck kommen, dass niederschwellig über Lernaufgaben oder Lehr-Lern-Arrangements, Kooperationen mit anderen Bildungspartnern möglich sind. Das bedeutet, die Arbeit soll Lernortkooperation auf eine Ebene bringen, auf der es möglich sein soll, ohne grossen äusseren Einschränkungen und Aufwände seitens der Kooperationspartnern, Lernortkooperationen anzugehen. Die Arbeit soll einen kleinen Beitrag dazu leisten, dass bei der Thematik Lernortkooperation die Perspektive auch auf eine angenehme Flughöhe gelegt werden kann. Eines sollte uns bewusst sein und dies hat man schon vor zwanzig Jahren festgestellt: «Die Kooperation der Lernorte ist eine wesentliche Voraussetzung für die Steigerung der Leistungsfähigkeit des dualen Systems.» (KMK, 1997, S. 8)

Hypothesis A novel strategy to design binding molecules harnessing the modular nature of repeat proteins

Abstract Repeat proteins, such as ankyrin or leucine-rich repeat proteins, are ubiquitous binding molecules, which occur, unlike antibodies, intra- and extracellularly. Their unique modular architecture features repeating structural units (repeats), which stack together to form elongated repeat domains displaying variable and modular target-binding surfaces. Based on this modularity, we developed a novel strategy to generate combinatorial libraries of polypeptides with highly diversi¢ed binding speci¢cities. This strategy includes the consensus design of self-compatible repeats displaying variable surface residues and their random assembly into repeat domains. We envision that such repeat protein libraries will be highly valuable sources for novel binding molecules especially suitable for intracellular applications

The DARPin Encyclopedia: from Basic Research Towards Therapeutics

The adaptive immune system in vertebrates comes in two flavors. Historically, adaptive immunity focused on the study of immunoglobulins (also referred to as Ig-based antibodies herein); more recently, jawless vertebrates were found to use an entirely different class of proteins for their adaptive immunesystem. Specifically, these organisms express variable lymphocyte receptors (so called VLR antibodies) that create diversity based on the rearrangement of leucine-rich repeats. Meanwhile, various, naturally occurring repeat motifs have been used as building blocks for the design of artificial binding scaffolds which, among others, include designed ankyrin repeat proteins (DARPins). Such binding scaffolds are also referred to as non-Ig-based antibodies or non-Ig scaffolds herein). DARPins display several benefits such as a low molecular weight (~15 kDa), high thermal stability, high specificity and affinity, versatility (e.g., in terms of valency and multi-specificity), speedy preclinical development, low production costs and, thus, bear the potential to not only complement existing therapeutic Ig-based antibodies but also open up novel therapeutic strategies. The first generation DARPin therapeutic abicipar pegol has completed two Phase III studies in 2020 while several other DARPin drug candidates are currently undergoing clinical validation. Most recently, the rapid development of tri-specific SARSCoV-2 DARPin therapeutics showcases the immense potential of recombinant repeat proteins in adopting quickly e.g., new forms of target neutralization that a single Ig-based antibody cannot afford. Here, we highlight the design principles of repeat proteins in general and summarize in detail the continuous advancements of the DARPin scaffold that made it one of the most promising antibody mimetics to date. This review provides an overview of current and emerging applications of DARPins as both a research tool and therapeutic drug that can match or even surpass Ig-based antibody applications.</jats:p