Les ARN (Acide RiboNucléique) remplissent de nombreuses fonctions clés dans le vivant. Ils peuvent être support de l'information génétique, régulateurs de celle-ci. Visualiser ces molécules au sein d'une cellule représenterait une étape importante vers une meilleure compréhension de la régulation de l'expression des gènes. Les ARN fluorogènes tels que Spinach et Mango sont des outils extrêmement prometteurs pour atteindre cet objectif. Cependant ces deux ARN fluorogènes présentent une brillance limitée. La Compartimentation in vitro assistée par microfluidique (µCIV) est un outil très prometteur dont notre groupe a démontré l’efficacité pour l’évolution d’ARN. Dans le cadre de cette thèse, la µCIV a été adaptée à la sélection d'aptamères d'ARN fluorogènes pour en améliorer les propriétés (surtout la brillance). De plus, l’utilisation conjointe du séquençage haut débit a permis l’optimisation très rapide et semi-automatisée à la fois d’aptamères mais aussi de biosenseurs fluorogènes. Ainsi, cette thèse a permis de mettre en place et d’exploiter des technologies de criblage robustes pour la découverte de nouveaux aptamères d'ARN et de biosenseurs. / RNA is a key molecule in gene expression and its regulation. Therefore, being able to monitor RNA through live-cell imaging would represent an important step toward a better understanding of gene expression regulation. RNA-based fluorogenic modules are extremely promising tools to reach this goal. To this end, two light-up RNA aptamers (Spinach and Mango) display attractive properties but they suffer from a limited brightness. Since previous work in the group demonstrated the possibility to evolve RNA using microfluidic-assisted in vitro compartmentalization (µIVC), this technology appeared to be well suited to improve light-up aptamers properties by an evolution strategy. Therefore, the µIVC procedure was adapted to fluorogenic RNA aptamers to improve their properties (especially the brightness). Finally, using µIVC in tandem with high-throughput sequencing (NGS) allowed further developing the technology into a more integrated and semi-automatized approach in which RNAs and biosensors are selected by µIVC screening and the best variants identified by a bioinformatics process upon NGS analysis. To summarize, this thesis allowed establishing robust µIVC screening workflows for the discovery of novel efficient light-up RNA aptamers as well as metabolites biosensors.

Cette thèse concerne le développement d’outils microfluidique pour l’ingénierie d’enzymes d’intérêt thérapeutique. La microfluidique à base de gouttelettes présente un énorme potentiel dans le domaine de la biologie quantitative. Nous développons des outils microfluidiques pour l’évolution dirigée de l’enzyme L-asparaginase, enzyme utilisée comme traitement de laleucémie lymphoblastique aiguë. Ce traitement est basée sur une enzyme d’origine bactérienne,ce qui conduit à déclencher des réactions immunitaires qui se traduit par l’interruption du traitement, souvent fatale pour le patient. Cependant, une version humaine de l’enzyme L-asparaginase, qui est moins immunogénique, n’est à l’heure actuelle pas suffisamment active pour être utilisée. L’objectif principal de cette thèse est d’alors d’analyser et de cribler des banques de mutants d’enzymes en utilisant des méthodes classiques de mutagenèse et d’analyser chaque mutant individuellement par le biais de la microfluidique. Pour cela, plusieurs systèmes microfluidiques ont été développés et optimisés afin de répondre à différents critères de sélection pour l’analyse et la sélection de l’enzyme L-asparaginase. La version bactérienne a servi de contrôle positif pour l’optimisation des systèmes microfluidiques afin de pouvoir analyser et de cribler des banques de mutants de la version humaine de l’enzyme L-asparaginase. / This thesis deals with the development of microfluidic tools for the engineering ofenzymes of therapeutic interest. Droplet microfluidics has enormous potential in the field ofquantitative biology. We are developing microfluidic tools based on the directed evolutionof the enzyme L-asparaginase, an enzyme used to treat acute lymphoblastic leukemia. Thistreatment is based on an enzyme of bacterial origin, which leads to immune reactions thatresult in the interruption of treatment, often fatal for the patient. However, a human version ofthe enzyme L-asparaginase, which is less immunogenic, is currently not sufficiently active to beused. The main objective of this thesis is to analyze and screen enzyme mutant libraries usingstandard mutagenesis methods and to analyze each mutant individually through microfluidics.For this, several microfluidic systems have been developed and optimized for different selectioncriteria for the analysis and selection of the enzyme L-asparaginase. The bacterial versionserving as a positive control for the optimization of microfluidic workflows to analyze andscreen mutant libraries of the human version of the enzyme L-asparaginase.

Les émulsions fluorées de Pickering sont étudiées et mises au point dans la technologie demicrofluidique en gouttes pour des applications d’études sur des cellules adhérentes isolées.Les principaux résultats de ce projet sont : l’établissement d’un lien entre la couverture desurface des nanoparticules et la fluidité de l’émulsion de Pickering ; l’établissement deslignes directrices pour la stabilisation des gouttes avec un débit de production élevé et unminimum de déchets de particules ; et la mise en oeuvre d’une plateforme technologiquecomplète pour l’étude des cellules RPE, pour mesurer leur hétérogénéité phénotypique auniveau de la cellule individuelle. / Fluorinated Pickering emulsions are studied and engineered within droplet-based microfluidicstechnology for adherent-cell studies applications. The main findings of this projectinclude: linking the nanoparticles surface coverage to the bulk flowability of the Pickeringemulsion; deriving guidelines for droplet stabilization with high production throughput andminimal particle waste; and implementing the full technological platform for the study ofRPE cells, while unraveling their phenotypic heterogeneity at the single cell level.

The work presented in this thesis describes methodologies developed for integration and accurate interpretation of barcoded DNA, to empower large-scale-omics analysis. The objectives mainly aim at enabling multiplexed proteomic measurements in high-throughput format through DNA barcoding and massive parallel sequencing. The thesis is based on four scientific papers that focus on three main criteria; (i) to prepare reagents for large-scale affinity-proteomics, (ii) to present technical advances in barcoding systems for parallel protein detection, and (iii) address challenges in complex sequencing data analysis. In the first part, bio-conjugation of antibodies is assessed at significantly downscaled reagent quantities. This allows for selection of affinity binders without restrictions to accessibility in large amounts and purity from amine-containing buffers or stabilizer materials (Paper I). This is followed by DNA barcoding of antibodies using minimal reagent quantities. The procedure additionally enables efficient purification of barcoded antibodies from free remaining DNA residues to improve sensitivity and accuracy of the subsequent measurements (Paper II). By utilizing a solid-phase approach on magnetic beads, a high-throughput set-up is ready to be facilitated by automation. Subsequently, the applicability of prepared bio-conjugates for parallel protein detection is demonstrated in different types of standard immunoassays (Papers I and II). As the second part, the method immuno-sequencing (I-Seq) is presented for DNAmediated protein detection using barcoded antibodies. I-Seq achieved the detection of clinically relevant proteins in human blood plasma by parallel DNA readout (Paper II). The methodology is further developed to track antibody-antigen interaction events on suspension bead arrays, while being encapsulated in barcoded emulsion droplets (Paper III). The method, denoted compartmentalized immuno-sequencing (cI-Seq), is potent to perform specific detections with paired antibodies and can provide information on details of joint recognition events. Recent progress in technical developments of DNA sequencing has increased the interest in large-scale studies to analyze higher number of samples in parallel. The third part of this thesis focuses on addressing challenges of large-scale sequencing analysis. Decoding of a huge DNA-barcoded data is presented, aiming at phase-defined sequence investigation of canine MHC loci in over 3000 samples (Paper IV). The analysis revealed new single nucleotide variations and a notable number of novel haplotypes for the 2nd exon of DLA DRB1. Taken together, this thesis demonstrates emerging applications of barcoded sequencing in protein and DNA detection. Improvements through the barcoding systems for assay parallelization, de-convolution of antigen-antibody interactions, sequence variant analysis, as well as large-scale data interpretation would aid biomedical studies to achieve a deeper understanding of biological processes. The future perspectives of the developed methodologies may therefore stem for advancing large-scale omics investigations, particularly in the promising field of DNA-mediated proteomics, for highly multiplex studies of numerous samples at a notably improved molecular resolution. / <p>QC 20150203</p>

Le but de ce travail de thèse est le développement d'un outil miniaturisé basé sur la millifluidique en goutte qui permet de synthétiser et d'étudier en toute sécurité des réactions de polymérisation dans des conditions difficiles ou «extrêmes».À cette fin, le réacteur de polymérisation a été réduit à la taille d'une gouttelette de quelques microlitres. A cette échelle, le microréacteurs goutte a un rapport surface sur volume plus élevé que ceux qui sont couramment obtenus avec des réacteurs discontinus classiques (~ 1500 par rapport à 10). Cette surface importante permet le transfert de chaleur efficace entre le milieu intérieur de la gouttelette (où la réaction chimique a lieu) et le milieu externe, qui est chimiquement inerte. Ici, contrairement à une approche monophasique, les caractéristiques clés d'une goutte miniaturisés permettent : (1) les gouttelettes de haute viscosité interne peuvent circuler normalement sans boucher le canal et (2) la dispersion due à la convection et la diffusion est éliminé car les réactifs sont compartimentées dans les gouttelettes. Comme toutes les gouttelettes se déplacent à la même vitesse, elles ne coalescent pas et il n'y a pas de distribution du temps de résidence. Ceci est particulièrement important étant donné que la viscosité dans des réactions de polymérisation peut augmenter à des milliers de centipoises ou même plus dans le cas des processus de gel.L'utilisation de gouttes comme microréacteurs circulant dans un tube chauffé (1/8’’ dext et 1/16’’ dint) peut permettre d’observer rapidement et en toute sécurité des réactions de polymérisation à différentes conditions. Nous avons choisi d'utiliser des conditions expérimentales où le processus de polymérisation est rapide et exothermique et/ou la viscosité peut être un problème. L'acide acrylique à faible pH et à concentrations élevées est donc un bon candidat pour obtenir un tel comportement. La composition des gouttelettes dépendant uniquement des débits, il est facile d’étudier différentes conditions expérimentales, y compris celles qui ne pouvaient pas être observées dans des réacteurs discontinus conventionnels (i.e. les concentrations de monomère et températures élevées, 40% massique et 90°C).Par ailleurs, couplé avec des systèmes appropriés d'analyse, des données cinétiques de base peuvent être obtenus en ligne à travers la paroi du tube transparent. En utilisant la spectrométrie Raman et l'équivalence temps-espace qui est spécifique à l'utilisation de dispositifs micro-et millifluidique à base de gouttes, nous avons été capables de suivre la conversion du monomère en fonction du temps. Ainsi, nous avons obtenu une cinétique d'ordre 4/3 en fonction de la concentration initiale en monomère et une demi-dépendance avec la concentration initiale de l'amorceur. Nous avons également pu mesurer une énergie d'activation globale de la vitesse de polymérisation entre 68°C et 90°C.En conclusion, la millifluidique et goutte semble être une approche prometteuse pour le criblage haut débit, l’analyse, et l’obtention de données cinétique de base en synthèse de polymères. / The aim of this thesis work is the development of a miniaturized droplet-based millifluidic tool which allows to safely synthesize and investigate polymerization reactions in harsh or “extreme” conditions.For this purpose, the polymerization reactor was reduced to the size of a droplet of a few microliters. At this scale, the droplet microreactor has a surface to volume ratio higher than those commonly obtained with conventional batch reactors (~1500 compare to 10). This important surface allows efficient heat transfer between the internal medium of the droplet (where the chemical reaction takes place) and the external one, which is chemically inert. Here, in contrast to single-phase flows, other key characteristics to a miniaturized droplet-based approach consist in: (1) droplets can manage high internal viscosity issues without plugging the channel and (2) dispersion due to convection and diffusion is eliminated because the reactants are compartmentalized within droplets. Since all droplets move at the same speed, they do not coalesce and there is no residence time distribution. This is particularly important since viscosity in polymerization reactions can increase to thousand of centipoises or even higher in the case of gel processes.The use of droplets as batch microreactors flowing within a heated tube (1/8 in. o.d. and 1/16 in. i.d.) can allow investigating quickly and safely polymerization reactions at different conditions. We choose to use experimental conditions where fast and exothermic polymerization process occurs and/or viscosity can be an issue. Acrylic acid at low pH and high concentrations is hence a good candidate to obtain such behavior. Since droplet composition depends only on flow rates, it was easy to screen different experimental conditions, including those which could not be used in conventional batch reactors (i.e., high monomer concentrations and temperatures; 40% w/v and 90 °C).Moreover, coupled with appropriate and sensitive analytical systems, basic kinetic data can be obtained in line through the wall of the transparent tube. By using Raman spectrometry and the time-space equivalence which is specific to the use of droplet-based micro- and millifluidic devices, we were capable to monitor molar conversions and monomer concentrations as a function of time. Thus, we verified the 4/3 order kinetics in initial monomer concentration and a 1/2 dependence in initial initiator concentration. We also able measured the overall activation energy for the rate of polymerization between 68°C to 90°C.In conclusion, droplet-based millifluidics seems to be a promising high throughput screening approach for investigating kinetics and possibly tailoring polymer properties.

La relation qui lie la séquence d'une protéine à sa fonction nous échappe toujours en grande partie, pourtant elle est essentielle à la compréhension de l'évolution moléculaire.La microfluidique permet de remplacer les traditionnels tubes à essais par des micro-gouttelettes afin de tester séparément des mutants d'enzyme à des fréquences de l'ordre du kilohertz. Cette technique fournit un moyen de coupler le génotype et le produit de l'activité enzymatique (phénotype). Sélectionner et récupérer les gouttelettes sur demande et séquencer leur contenu permet d'effectuer la cartographie génotype-phénotype de millions de mutants d'enzymes en une seule expérience.Au cours de cette thèse, j'ai tout d'abord développé un système microfluidique basé sur l'expression de protéines in vitro afin de pouvoir réaliser la cartographie génotype-phénotype de Streptomyces griseus aminopeptidase (SGAP). Des gènes mutants de l'enzyme SGAP sont encapsulés (un par gouttelette au maximum) amplifiés, exprimés et testés contre un substrat fluorogénique. Des incompatibilités entre les étapes d'amplification, d'expression et d'essai enzymatique en gouttelettes obligent à réaliser chacune de ces étapes séparément et successivement, afin de diluer le produit de chaque réaction par l'électro-coalescence des gouttelettes. Je montre qu'un work-flow microfluidique dans lequel (i) les gènes sont encapsulés et amplifiés dans des gouttes de 0.2 pL, (ii) exprimés in vitro, (iii) testés contre un substrat fluorogenique dans des gouttelettes de 20 pL, permet de mesurer l'activité de variants de SGAP avec un contraste important. Afin d'optimiser l'essai enzymatique en gouttelettes de SGAP, j'ai aussi développé, en collaboration avec Dr. Johan Fenneteau (Laboratoire de Chimie Organique, ESPCI Paristech), un nouveau substrat fluorogénique basé sur une rhodamine hydrophile. Cette sonde est caractérisée par un échange limité de la rhodamine entre les gouttelettes.J'ai ensuite développé un work-flow microfluidique in vivo, pour Ratus norvegicus trypsin (la trypsine du rat), dans lequel les capacité de sécrétion de Bacillus subtilis sont utilisées afin de simplifier les expériences. Des cellules uniques de B. subtilis sont encapsulées dans des gouttelettes de 20 pL où elles sécrètent des mutants de la trypsine en protéine de fusion avec un rapporteur permettant de mesurer le niveau d'expression. Les mutants sont testés par électro-coalescence avec des gouttelettes de 2 pL contenant un substrat fluorogénique de la trypsine. En normalisant l'activité totale détectée par la fluorescence du rapporteur du niveau d'expression, l'efficacité catalytique peut être directement mesurée en gouttelettes. C'est la première fois qu'un système expérimental d'essai enzymatique haut-débit fournit l'opportunité de mesurer directement l’efficacité catalytique de mutants d'une enzyme à une fréquence de l'ordre du kilo Hertz. Une méthode afin de réaliser la mutagenèse saturée (tous les simples mutants) du gène de la trypsine du rat a aussi été développée. Combinée au séquençage nouvelle génération, la méthode microfluidique développée permettra de réaliser la première cartographie génotype-phénotype de tous les simples mutants de la trypsine du rat / The question of how sequence encodes proteins' function is essential to understand molecular evolution but still remains elusive.Droplet-based microfluidics allows to use micro-metric droplets as reaction vessels to separately assay enzyme variants at the kHz frequency. It also provides an elegant solution to couple the genotype with the product of the catalytic activity of enzymes. Sorting droplets on demand and sequencing their content enables to map the genotype of millions of enzyme variants to their phenotype in a single experiment.First, I developed a cell-free microfluidic work-flow to carry out genotype-phenotype mapping of Streptomyces griseus aminopeptidase (SGAP). Single enzyme variant genes are encapsulated and amplified in droplets, expressed, and assayed against a fluorogenic substrate. Incompatibilities between gene amplification, expression and assay reactions, constrain to execute each one of those steps successively and to dilute the product of each reaction by droplet electro-coalescence. I show that a work-flow in which (i) genes are encapsulated and amplified into 0.2 pL droplets, (ii) expressed using cell-free expression reagents in 2 pL droplets and (iii) assayed with a fluorogenic substrate in 20 pL droplets, allows to measure SGAP variants activity with high contrast. To optimize the SGAP droplet assay, I also developed in collaboration with Dr. Johan Fenneteau (Laboratory of Organic Chemistry, ESPCI Paristech), a hydrophilic rhodamine based substrate, characterized by limited exchange of the released fluorophore between droplets.Second, I developed an in vivo microfluidic work-flow on Ratus norvegicus trypsin (rat trypsin), in which Bacillus subtilis secretion abilities are used to simplify the microfluidic work-flow. Single B. subtilis cells are encapsulated in 20 pL droplets where they secrete trypsin variants as fusion proteins with a fluorescent expression-level reporter. The variants are assayed by droplet electro-coalescence with 2 pL droplets containing a trypsin fluorogenic substrate. Trypsin variants catalytic efficiency can be directly measured in droplets, by normalizing the total trypsin activity by the expression-level reporter fluorescence. This is the first time a high-throughput protein assay work-flow gives the opportunity to directly measure the catalytic efficiency of enzyme variants at the kHz frequency. A method to carry out saturated mutagenesis on the rat trypsin gene was also developed. Together with deep sequencing, the developed experimental work-flow will allow to perform the first quantitative genotype-phenotype mapping of all single point mutants of the rat trypsin protein

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eine Gerätes, welches die Überwachung von mehreren hundert Mikrobioreaktoren ermöglicht. Dabei sollte es, neben der Reduzierung von Kosten und Arbeitskraft, die konventionellen Pipettiermethoden in der zeitliche Auflösung übertreffen. Weiterhin soll es über eine Gradientenerzeugung verfügen, um sehr feine Variationen der Zusammensetzung des verwendeten Mediums zu ermöglichen. Dafür wurde ein Analysator für fluoreszierenden Tropfen (Fluorescent Droplet Analyser) entwickelt, mit dem ein segmentierter Fluss von mehreren hundert Tropfen erzeugt werden kann und für viele Tage gemessen werden kann. Für die Messung wurde der Analysator mit einer flexiblen Fluoreszenzoptik ausgestattet um unterschiedliche Fluoreszenzfarbstoffe oder Molekühle detektieren zu können. Mehrere Experimente wurden durchgeführt, welche das Potentials des Gerätes zeigen. Einzelne Zellen des Pantoffeltierchen (Paramecium tetraurelia) konnten in einzelnen Tropfen eingeschlossen werden und mit einem metabolischen Farbstoffe ihre Stoffwechselaktivität gemessen werden. Ebenfalls wurden viele Experimente mit Pseudomonas fluorescens und E.coli YFP durchgeführt. Durch die flexible Fluoreszenzoptik konnte das Wachstum beider Arten in eine Experiment gemessen werden.

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eine Gerätes, welches die Überwachung von mehreren hundert Mikrobioreaktoren ermöglicht. Dabei sollte es, neben der Reduzierung von Kosten und Arbeitskraft, die konventionellen Pipettiermethoden in der zeitliche Auflösung übertreffen. Weiterhin soll es über eine Gradientenerzeugung verfügen, um sehr feine Variationen der Zusammensetzung des verwendeten Mediums zu ermöglichen. Dafür wurde ein Analysator für fluoreszierenden Tropfen (Fluorescent Droplet Analyser) entwickelt, mit dem ein segmentierter Fluss von mehreren hundert Tropfen erzeugt werden kann und für viele Tage gemessen werden kann. Für die Messung wurde der Analysator mit einer flexiblen Fluoreszenzoptik ausgestattet um unterschiedliche Fluoreszenzfarbstoffe oder Molekühle detektieren zu können. Mehrere Experimente wurden durchgeführt, welche das Potentials des Gerätes zeigen. Einzelne Zellen des Pantoffeltierchen (Paramecium tetraurelia) konnten in einzelnen Tropfen eingeschlossen werden und mit einem metabolischen Farbstoffe ihre Stoffwechselaktivität gemessen werden. Ebenfalls wurden viele Experimente mit Pseudomonas fluorescens und E.coli YFP durchgeführt. Durch die flexible Fluoreszenzoptik konnte das Wachstum beider Arten in eine Experiment gemessen werden.:1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Scope of this thesis 2 1.3 State of the art 3 2 Fundamentals 2.1 Millifluidics vs. microfluidics 5 2.1.1 Droplet based microfluidics 6 2.1.2 Surfactant in droplet-based millifluidics 7 2.2 The model of microorganism growth 8 2.3 The fluorescence based detection 9 3 Materials & Methods 3.1 The culture of the microorganisms and preparation 11 3.1.1 The Paramecium tetraurelia 11 3.1.2 Pseudomonas fluorescens 12 3.1.3 Escherichia coli 12 3.1.4 The bacteria culture 13 3.2 The Poisson distribution . 15 3.3 The composition of the emulsion 16 3.4 The fluidic components 17 3.5 Modules of the Fluorescent Droplet Analyser 18 3.5.1 The optocoupled relay card 18 3.5.2 The used fluidic pumps 19 3.5.3 The photonic elements of the FDA 19 3.5.4 The light sources 21 3.5.5 The optical fibres 23 3.5.6 The used detectors 23 3.6 The operating Software 24 4 The Fluorescent Droplet Analyser 4.1 The fluidic network for droplet generation and shuttling 26 4.1.1 Generation of a droplet sequence 28 4.1.2 Measuring a droplet sequence 30 4.2 The electric schematics of the FDA 31 4.3 The light source, guidance, and detection 32 4.3.1 Preparation of the fibres 33 4.3.2 The detection setup 35 4.4 The developed LabView program for operating the FDA 37 4.4.1 The automated measurement process 40 4.4.2 The peak mode 41 4.4.3 The time mode 42 4.4.4 The combined mode 42 4.4.5 The dynamic threshold 42 4.5 The developed VI program for analysing the data of the FDA 44 4.6 Flow characteristics of the FDA 46 4.6.1 Basic flow characteristics 46 4.6.2 Characteristics for shuttling of a droplet sequence 47 4.6.3 Influence of the hydrodynamic resistance 48 5 Monitoring of Paramecium tetraurelia 5.1 Introduction 51 5.2 Generation of a droplet sequence for Paramecium tetraurelia 53 5.3 Metabolic dynamics in droplets 54 5.4 Ecotoxicity assays 58 6 Monitoring of bacteria 6.1 Introduction 63 6.2 Generation of a droplet sequence for the bacteria experiments 64 6.3 Cell number calibration of the FDA 65 6.4 Monitoring of the bacteria growth 68 6.5 Investigation of the of the fluorescence signal 70 6.6 One bacteria cell in a droplet 71 6.7 The determination of the minimum inhibitory concentration 74 6.8 Long-term monitoring 80 6.9 Sectioning of the droplet sequence 80 6.10 Multicolor fluorescence detection 83

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L’ingénierie des protéines fonctionnelles est un processus d’amélioration des propriétés physiques ou catalytiques d’enzyme au travers d’approches rationnelles et d'évolution dirigée, aussi bien que la combinaison des deux méthodes. Malgré le progrès de la modélisation moléculaire des protéines, les méthodes de prédiction restent aléatoires et un grand nombre de variantes restent à tester. De ce fait, le développement et l’utilisation d’un système de criblage d’activité de protéines à très haut débit, comme la microfluidique en gouttes, est indispensable. Cette thèse de doctorat présente trois projets d’évolution dirigée de protéines en trois approches différentes avec expression d’enzyme in vitro et in vivo. Les plateformes microfluidiques ont été développées et validées pour chaque projet. De plus, plusieurs banques de variants ont été criblées avec, dans certains cas, isolement de molécules 5-10 fois que le clone parental. / This work describes the development of high-throughput droplet microfluidic platforms fine-tuned for protein of interest and their employment in directed evolution experiments. When not available, fluorogenic assay for monitoring desired enzyme activity (-ies) in droplets was developed. Moreover, the in vivo expression allowed the successive integration of microfluidic modules on the same chip. After a couple of evolution rounds the initial retro-aldolase variant was significantly improved. In other project, to meet industrial requirements a high-throughput screening platform for protease evolution in detergent has been assembled and validated. Two evolution rounds showed the accumulation of a certain pool of beneficial mutations over the selection rounds. The research described in this work highlighted that in vitro expression systems are sensitive to the amount of supplied DNA and reaction conditions. This observation led to the development of a multistep completely in vitro microfluidic platform.