Abstract Virus-like DNA nanoparticles have emerged as promising vaccine and gene delivery platforms due to their programmable nature that offers independent control over size, shape, and functionalization. However, as biodegradable materials, their utility for specific therapeutic indications depends on their structural integrity during biodistribution to efficiently target cells, tissues, or organs. Here, we explore reversible minor groove binders to control the degradation half-lives of wireframe DNA origami. Bare, two-helix DNA nanoparticles were found to be stable under typical cell culture conditions in presence of bovine serum, yet they remain susceptible to endonucleases, specifically DNAse I. Moreover, they degrade rapidly in mouse serum, suggesting species-specific degradation. Blocking minor groove accessibility with diamidines resulted in substantial protection against endonucleases, specifically DNAse-I. This strategy was found to be compatible with both varying wireframe DNA origami architectures and functionalization with protein antigens. Our stabilization strategy offers distinct physicochemical properties compared with established cationic polymer-based methods, with synergistic therapeutic potential for minor groove binder delivery for infectious diseases and cancer.

DNA is an ultra-high-density storage medium that could meet exponentially growing worldwide demand for archival data storage if DNA synthesis costs declined sufficiently and random access of files within exabyte-to-yottabyte-scale DNA data pools were feasible. To overcome the second barrier, here we encapsulate data-encoding DNA file sequences within impervious silica capsules that are surface-labeled with single-stranded DNA barcodes. Barcodes are chosen to represent file metadata, enabling efficient and direct selection of sets of files with Boolean logic. We demonstrate random access of image files from an image database using fluorescence sorting with selection sensitivity of 1 in 106 files, which thereby enables 1 in 106 N per N optical channels. Our strategy thereby offers retrieval of random file subsets from exabyte and larger-scale long-term DNA file storage databases, offering a scalable solution for random-access of archival files in massive molecular datasets.

Scalable production of gene-length single-stranded DNA (ssDNA) with sequence control has applications in homology directed repair templating, gene synthesis and sequencing, scaffolded DNA origami, and archival DNA memory storage. Biological production of circular single-stranded DNA (cssDNA) using bacteriophage M13 addresses these needs at low cost. A primary goal toward this end is to minimize the essential protein coding regions of the produced, exported sequence while maintaining its infectivity and production purity, with engineered regions of sequence control. Synthetic miniphage constitutes an ideal platform for bacterial production of isogenic cssDNA, using inserts of custom sequence and size to attain this goal, offering an inexpensive resource at milligram and higher synthesis scales. Here, we show that the Escherichia coli (E. coli) helper strain M13cp combined with a miniphage genome carrying only an f1 origin and a β-lactamase-encoding (bla) antibiotic resistance gene enables the production of pure cssDNA with a minimum sequence genomic length of 1,676 nt directly from bacteria, without the need for additional purification from contaminating dsDNA, genomic DNA, or fragmented DNAs. Low-cost scalability of isogenic, custom-length cssDNA is also demonstrated for a sequence of 2,520 nt using a commercial bioreactor. We apply this system to generate cssDNA for the programmed self-assembly of wireframe DNA origami objects with exonuclease-resistant, custom-designed circular scaffolds that are purified with low endotoxin levels (<5 E.U./ml) for therapeutic applications. We also encode digital information that is stored on the genome with application to write-once, read-many archival data storage.