Développement d’outils microfluidiques à base de gouttelettes pour le criblage à haut débit

Development of droplet-based microfluidic tools for high-throughput screening

• Auteur / Autrice : David Van Assche
• Direction : Jean-Christophe Baret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 29/11/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Paul Pascal (Pessac ; 1963-....)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Zakri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Franke, Benoît Scheid

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs électriques

Gouttes

Microfluidique

Mots clés libres

Microfluidique en goutte

Champs électriques

Haut débit

Coacervates

Droplet microfluidics

Electric fields

High-Throughput

Coacervates

Résumé

Au cours des deux dernières décennies, la microfluidique à base de gouttelettes est devenue une technologie dans une grande gamme d’applications à haut débit en particulier comme méthode de criblage à haut débit de cellules. Les gouttelettes servent de microcompartiments pour effectuer des tests biochimiques pour l’analyse d’une seule cellule. Il est possible de produire des millions de gouttelettes de quelques picolitres, ce qui permet d’effectuer des millions d’analyses biochimiques sur cellules uniques avec un petit volume de réactifs, et en parallèle. Néanmoins, la manipulation contrôlée à haut débit de gouttelettes de picolitres nécessite toujours de la mise en œuvre de nouveaux outils. Cette thèse présente des études expérimentales pour le développement de nouveaux outils, ainsi que l’analyse et l’application d’outils existants en microfluidique à base de gouttelettes. Dans trois des études présentées, les champs électriques sont utilisés comme moyen de contrôle externe pour trois modules essentiels dans le criblage à haut débit : (i) production ; (ii) coalescence ;(iii) le tri. (i) Des champs électriques sont mis en œuvre pour fournir un outil permettant d’augmenter la monodispersité de la production de gouttelettes dans les jets hydrodynamiques. (ii) Une étude fondamentale de la coalescence de deux gouttelettes sous l’influence de champs électriques est réalisée pour répondre aux questions ouvertes sur l’influence des propriétés électriques du système sur le mécanisme d’électrocoalescence. (iii) Des champs électriques sont incorporés dans un dispositif microfluidique entièrement intégré pour le tri des gouttelettes, à des fins d’évolution dirigée de l’enzyme glucose oxydase. Dans la quatrième étude, la séparation de phase liquide-liquide dans les gouttelettes est démontrée comme un outil pour améliorer la limite de détection dans les gouttelettes. Cette étude est basée sur l’analyse de la cinétique enzymatique dans des systèmes à séparation de phase liquide-liquide avec des gouttelettes qui pourraient être ultérieurement utilisées pour mieux comprendre la fonction des condensats biomoléculaires dans les cellules.

Over the past two decades, droplet-based microfluidics has emerged as a technology in a range of high-throughput applications. As a primary application, it is utilized as a method for high-throughput screening of cells. A droplet may serve as a microcompartment to perform a biochemical assay for the individual compartmentalization and analysis of a single cell. It is possible to produce millions of picoliter droplets, making it possible to perform millions of single cell biochemical assays with a small volume of reagents. Nevertheless, the controlled high-throughput manipulation of picoliter droplets is challenging and could benefit from the implementation of novel tools. This thesis presents experimental studies for the development of new tools, and the analysis and application of existing tools in droplet-based microfluidics. In three of the presented studies, electric fields are utilized as an external means of control for three essential modules in high-throughput screening: (i) production; (ii) coalescence; (iii) sorting.n(i) Electric fields are implemented to provide a tool to increase the monodispersity of droplet production in hydrodynamic jets. (ii) A fundamental study of the coalescence of two droplets under the influence of electric fields is performed to address open questions on the influence of the electric properties of the system on the electrocoalescence mechanism. (iii) Electric fields are incorporated in a fully integrated microfluidic device for sorting of droplets, for directed evolution purposes of the enzyme glucose oxidase. In study four, liquid-liquid phase separation in droplets is demonstrated as a tool to enhance the limit-of-detection in droplets. Moreover, this study involves the analysis of enzyme kinetics in phase separated systems with droplets, which could be of interest to shed light on the function of biomolecular condensates in cells.