Ce projet de thèse portait sur le développement d’outils microfluidiques pour la toxicologie et la recherche contre le cancer. En permettant l’analyse simultanée d’un très grand nombre de réactions biologiques ou chimiques réalisés dans des compartiments indépendants (ie. gouttelettes), la microfluidique de gouttes offre une sensibilité de détection et une précision sans précédent pour l’analyse de molécules biologiques, telles que l’ADN ou les Anticorps, en comparaison des expériences réalisées conventionnellement en tubes ou en microplaques (essais en « bulk » ou volume). Ce format permet également de réaliser des expériences à très haut débit et est particulièrement pertinent pour la toxicologie, où des analyses robustes de l’effet des médicaments sont nécessaires. De même, ces procédures sont également très adaptées à l’analyse de cellules uniques pour le séquençage ADN ou ARN et l’épigénomique. Tout cela fait de la microfluidique en goutte un outil puissant pour la toxicologie et la recherche sur le cancer. En premier temps, une méthode du comptage précise des cellules encapsulée dans des microgouttelettes, nommée « hémocytométrie microfluidique », a été développée. Un nouvel algorithme de comptage a été proposé. Des cellules bactériennes (Escherichia Coli) et des cellules de 2 lignées humaines différentes (HL60 and H1975) ont été testées. Le nombre de chaque type de cellules a été déterminé avec une haute corrélation entre la théorie (basée sur la distribution de Poisson) et les résultats expérimentaux. Avec ces résultats robustes, un protocole de microfluidique en goutte a été mis en place pour interroger la viabilité cellulaire et la prolifération des 2 lignées humaines. Ces résultats sont en concordance avec ceux de la littérature. Pour la toxicologie, 3 différents modèles, y compris des microsomes (extrait de cellules d’insectes infectées par un baculovirus exprimant le cytochrome P450 3A4 humain, CYP3A4), HepG2-CYP3A4 (modifiée génétiquement pour exprimer le gène CYP3A4 humain), et HepaRG, une lignée hépatique, ont été évaluées pour l’activité enzymatique du CYP3A4, une enzyme largement utilisée en routine pour le criblage de médicament candidat. Les microsomes ont permis de développer un essai fluorogénique permettant de mesurer l’inhibition du CYP3A4. Cependant, ni l’utilisation des microsomes ni des cellules HepG2 exprimant CYP3A4 n’a donné de résultats satisfaisants en microgouttelettes. L’utilisation des cellules HepaRG, une lignée cellulaire qui conserve la majorité de l’expression des cytochromes P450 et des récepteurs nucléaires nécessaire à leur expression, a montré des résultats encourageant à la fois sur les tests de mesure de l’activité enzymatique et d’analyse de l’induction du CYP3A4. Pour la recherche sur le cancer, 4 essais originaux de PCR digitale en gouttes ont été mis en place pour la détection et la quantification de mutations (NRAS, DNMT3A, SF3B1 and JAK2) importante pour les syndromes myélodysplasiques, un groupe hétérogène de maladies touchant les cellules souches hématopoïétiques caractérisées par une hématopoïèse inefficace et des cytopénies périphériques. Finalement, un essai de PCR sur cellule unique encapsulées au sein de billes agarose a été proposé. / This thesis project consists in developing droplet-based microfluidic tools for toxicology and cancer research. Owing to its large numbers of discretized volumes, sensitivity of detection of droplet-based microfluidics for biological molecules such as DNA and antibody is much higher than bulk assays. This high throughput format is particularly suitable for experiments where a robust dose-response curve is needed, as well as for single cell analysis with applications in genomic or sequencing and epigenetics. All above makes droplet-based microfluidics a powerful tool for toxicology and cancer research. In a first part of the work, an accurate cell counting method, named “microfluidics hemocytometry”, has been developed. A new counting algorithm was proposed to count the cells within each droplet. Escherichia Coli and two different human cell lines (HL60 and H1975) were used to validate our strategy. The number of each type of cells in droplets was determined with a high consistency between theory (Poisson distribution) and experimental results. With these robust results, a droplet-based microfluidic protocol has then been established to inquiry both cell viability and proliferation for the two human cell lines. The results are in good agreement with the one of the literature. For the toxicology, 3 different biological models, including microsomes (extracted from baculovirus-infected insect cell expressing human CYP3A4), HepG2-CYP3A4 (genetically modified to express the human CYP3A4 gene) and HepaRG liver cells lines were evaluated for enzymatic activity of cytochromes P450 (CYP3A4), a routinely used enzyme for drug candidate screening. Microsome-based assays were used to validate a fluorogenic inhibition assay. However neither microsome-based assay nor the assay using CYP3A4 expressing HepG2 gave satisfying results in droplet-based format. However, HepaRG cells, a hepatic function-conserved cell line with most cytochrome and related nuclear receptors, demonstrated high relevance both for enzymatic activity testing and CYP3A4 expression induction study. For cancer research, 4 different picoliter droplet-based PCR assays were developed for the detection and quantification of mutations (NRAS, DNMT3A, SF3B1 and JAK2) present in Myelodysplastic syndromes, a heterogeneous group of clonal bone marrow hematopoietic stem cell disorders characterized by ineffective hematopoiesis and peripheral cytopenias. Furthermore, a single cell multistep PCR assay using encapsulation of target DNA in agarose droplets was proposed.

Diese Doktorarbeit untersucht die verschiedenen dynamischen Prozesse, welche sich an der Tropfenoberfläche abspielen, und der Methoden, die für deren Untersuchung verwendet wurden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die entscheidenden Eigenschaften, die einen Einfluss auf das mechanische Verhalten der Grenzfläche haben, zu identifizieren. Wir verwenden die hydrodynamisch erzwungene Deformation eines Tropfens in einem Mikrokanal, um die mechanischen Eigenschaften der Oberfläche zu untersuchen. Diese Methode wird auf drei verschiedene Fälle angewendet. Als erstes verfolgen wir die zeitliche Entwicklung einer Grenzflächenverformung, um die Dynamik der Tensidadsorption an einer Oberfläche zu untersuchen. Dabei kalibrieren wir die Tropfenverformung als Funktion von Tropfengröße und Oberflächenspannung. Diese Technik wird auf den Fall eines perfluorierten Tensids, welches von industriellem und wissenschaftlichem Interesse ist, angewendet. Wir zeigen die Möglichkeit von Messungen der dynamischen Oberflächenspannung auf Zeitskalen von zehn Millisekunden und gewinnen daraus kinetische Eigenschaften der Moleküle. Wir vergleichen die Dynamik, welche mit der klassischen Pendant-Drop-Methode gemessen werden kann mit denen der Mikrofluidik. Es zeigt sich, dass die Adsorption für den Pendant Drop von der Di usion begrenzt wird, während in der Mikrofluidik die Anbindung an die Oberfläche der langsamere Prozess ist. Der Unterschied entsteht durch das Flussprofil in der Mikrofluidik, welches konvektiven Transport induziert. Danach untersuchen wir die Verformung unter verschiedenen räumlichen Beschränkungen im mikrofluidischen Kanal. Die Tropfenverformung wird mit einer zweidimensionalen numerischen Simulationen und mit einem dreidimensionalen Modell eines Rotationsellipsoids verglichen. In beiden Fällen wird eine qualitative Übereinstimmung festgestellt, jedoch existieren auch spürbare Abweichungen vom Experiment. Die Abweichungen vom zweidimensionalen Modell ist erklärbar mit dem sinkenden Einfluss der viskosen Spannungen mit der Kanalhöhe, hervorgerufen durch Beiträge von Deformationen außerhalb der Beobachtungsebene, welche von dem Modell nicht wiedergegeben werden. Die Abweichungen vom dreidimensionalen Modell kommen von den räumlichen Beschränkungen, welche die Tropfenform von einem Rotationsellipsoid abweichend verformt. Die Untersuchung zeigt die Schwierigkeiten bei der Beschreibung von viskosen Kräfte für Abmessungen, die zu groß sind um als zweidimensional betrachtet zu werden, aber wo die Wechselwirkungen mit den Kanalwänden nicht vernachlässigbar sind. Wir diskutieren ebenfalls den Fall der trägen Relaxation des Tropfens bei Reynoldszahlen von Re 10, für welchen Oszillationen der Tropfenoberfläche beobachtet werden. Wir zeigen, dass die Oszillationen als hydrodynamische Analogie zu einer hookeschen Feder beschrieben werden können, wobei die Oberflächenspannung als Federkonstante fungiert und die Dämpfung durch die Viskosität der Flüssigkeit bestimmt wird. Die Methode liefert korrekte Ergebnisse sowohl für reine Grenzflächen als auch für Grenzflächen mit Tensiden, was zu einer zusätzliche Möglichkeit führt, die Oberflächenspannung aus der Frequenz der Verformungen zu bestimmen. Die viskose Relaxation wurde auch hierbei von den Kanalwänden beeinflusst. Als letztes wenden wir die Methode der mikrofluidischen Tensiometrie auf die Kinetik einer Polymerisationsreaktion auf der Tropfenoberfläche an. Der Einfluss der Reagenzkonzentration auf die Reaktionszeit wird untersucht, ebenso wie der E ekt der Gegenwart von Tensidmolekülen. Erste Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass die Deformation einer komplexen Grenzfläche nicht mehr allein durch die Oberflächenspannung beschrieben werden kann. Vielmehr muss die Beschreibung der mechanischen Eigenschaften der Grenzfläche notwendigerweise die Entstehung der Viskoelastizität an der Oberfläche mit in Betracht ziehen. Diese Erkenntnis erö net neue Möglichkeiten, mit Hilfe von Mikrofluidik die mechanischen Eigenschaften von komplexen Grenzflächen, wie zum Beispiel kolloidbesetzte Grenzflächen oder Membranen, zu charakterisieren.

With the rapid progress of next-generation sequencing (NGS) technologies, new tools and methods have emerged to investigate the transcriptomics of various organisms. RNA sequencing (RNA-seq) employs NGS to evaluate the presence and abundance of RNA transcripts in biological samples. This technique offers a comprehensive snapshot of the RNA dynamics within cells. With the ability to profile the entire transcriptome of organisms rapidly and accurately, RNA-seq has become the state-of-the-art method for transcriptome profiling, surpassing the traditional microarray approach. Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) was introduced in 2009 to profile the single-cell gene expression in highly heterogeneous samples such as brain tissue and tumors. The advancement of scRNA-seq technologies enables the in-depth transcriptomic study in each cell subtype. When selecting an scRNA-seq method, researchers must weigh the trade-off between profiling more single cells versus obtaining more comprehensive transcripts per cell, while considering the overall costs. The throughput of full-length scRNA-seq methods is usually lower, as each single cell needs to be processed separately to produce scRNA-seq libraries. However, full-length methods enable the researchers to investigate the splicing variants and allele-specific expression. Non-full-length methods only capture the 3' or 5' ends of transcripts, which limits their application in isoform detection, but as cells are pooled after barcoding for cDNA synthesis, the throughput is 2–3 orders of magnitude higher than full-length methods. We developed a droplet-based platform for full-length single-cell RNA-seq, which enabled the efficient recovery of full-length mRNA from individual cells in a high-throughput manner. The developed platform can process ~8,000 single cells within 2 days and detect ~20% more genes compared to Drop-seq. Besides scRNA-seq technology development, we also applied a low-input RNA-seq method to study the transcriptomics in different biological samples. When handling precious biological samples, a low-input method is necessary to profile the transcriptome of homogeneous cell populations. We first studied the epigenomic and transcriptomic regulations in colorectal cancer (CRC) using MOWChIP-seq, a low-input high-throughput method, in conjunction with our low-input RNA-seq approach. Fusobacterium nucleatum (Fnn) is closely related to the progression of cancers like CRC and pancreatic cancer. However, the molecular mechanisms of how Fnn adjusts the tumor microenvironment (TME) and leads to poor clinical outcomes are still unclear. In this in-vitro study, we characterized how hypoxia, an important TME ignored by previous research, facilitates Fnn infection of CRC and corresponding alterations of global epigenome and transcriptome. We infer that hypoxia has similar effects as Fnn infection alone on the CRC cells. The Fnn infection under hypoxia further boosts the proliferation and progression of CRC. We then applied our low-input RNA-seq method to study brain neuroscience and immunology. Psychedelics like DOI show promising clinical efficacy in patients with psychiatric conditions. Although psychedelics exhibit rapid antidepression action and long-lasting effectiveness compared to conventional treatment, their acute psychotic symptoms and potential for drug abuse discourage their application in clinical practice. In this case, it is important to comprehend the molecular mechanisms responsible for psychedelics' clinical efficacy. This understanding can pave the way for the development of improved treatments that do not rely on psychedelics. After profiling the transcriptome of mouse brain samples exposed to psychedelics with different post-exposure times, we concluded that the psychedelic-induced transcriptomic variations are more transient than epigenomic changes. In the second brain neuroscience project, we first applied 3-color FACS sorting to differentiate four neuron and non-neuron subtypes in human postmortem prefrontal cortex tissues. Then we profiled the gene expression of the four subtypes and validated the FACS sorting by examining the expression of marker genes. Differentially expressed genes between each subtype and the others were extracted and proceeded to gene ontology analysis. We identified unique altered biological pathways related to each subtype. The immunology research focuses on revealing the difference between low-grade inflammation and monocyte exhaustion, as well as the unique biological pathways they regulate. Therefore, we profiled the transcriptome of bone marrow-derived monocytes stimulated by PBS control, a low- or high-dose LPS. In addition to wild-type mice, we also included TRAM-deficient and IRAK-M-deficient mice. We concluded that low-dose LPS specifically regulates the TRAM-dependent pathway of TLR4 signaling, and high-dose LPS exclusively upregulates exhaustion markers by impacting metabolic and proliferative pathways. / Doctor of Philosophy / Transcriptomics is the comprehensive study of RNA transcripts derived from an organism's genome. RNA plays a vital role in maintaining the fundamental functions of cells and organisms. In eukaryotes, the genetic information stored in the DNA of cells is transferred to messenger RNA (mRNA) molecules through a process called transcription. These mRNA molecules serve as a bridge between DNA and proteins, as they carry the instructions encoded in genes to ribosomes for protein synthesis. Studying mRNA transcripts reveals various cellular mechanisms and their impact on overall organism function, gene regulation, and disease pathways. With the aid of next-generation sequencing, various RNA-seq approaches have been developed to study mRNA transcripts quantitatively in the past decades. To better understand the gene expression regulations in biological samples, we first applied bulk RNA-seq to profile the transcriptome of various samples under different conditions. Our in-house bulk RNA-seq protocol has been proven to be both high-performance and cost-effective compared to commercial kits. To better understand cellular diversity and uncover rare cell types in heterogeneous biological samples, we developed a droplet-based scRNA-seq platform that can recover full-length mRNA transcripts in a high throughput manner. It can profile the transcriptome of thousands of single cells within two days. It combines the advantages of the droplet-based scRNA-seq method (high throughput) and the well plate-based scRNA-seq method (full-length mRNA recovery).

Ce travail de thèse rend compte de la mise en oeuvre d’un système de synthèse en continu dupoly(acide acrylique) en milieu CO2 supercritique (15 MPa et 75 °C). Nous avons conçu undispositif microfluidique résistant aux hautes pressions permettant l’écoulement de gouttes desolution aqueuse de monomère dans une phase continue constituée d’un mélangesupercritique d’éthanol dans du CO2 et contenant l’amorceur azobisisobutyronitrile (AIBN).Nous avons déterminé par spectroscopie IR la répartition des différentes espèces chimiquesdu mélange en fonction de la pression et la température, puis caractérisé la décompositionthermique de l’amorceur selon la composition du milieu réactionnel par spectroscopie UVVis.Enfin, nous avons montré que les gouttes sont comparables à des réservoirs demonomère alimentant sans cesse la phase continue. En raison de ce transfert rapide vis-à-visde la conversion de l’AA en chaîne polymère, la réaction de polymérisation s’effectuecontinûment avec un rapport molaire monomère sur amorceur constant durant tout le tempsde séjour dans le microcanal (jusqu’à 41 min). Une gamme large de masses molaires avec desindices de polymolécularité faibles a été obtenue : de 20 000 à 120 000 g.mol-1 pour 1,35 à1,70, en variant simplement les concentrations de monomère de la solution aqueuse initiale.Les paramètres expérimentaux influençant les propriétés du poly(acide acrylique) obtenu,ainsi que le lieu de la polymérisation ont été étudiés. / In this work, a continuous microfluidic device was developed to perform the synthesis ofpoly(acrylic acid) in supercritical CO2 (15 MPa and 75°C). This high pressure resistantdevice allows generating segmented flows in microcanal: an aqueous solution of monomerwas dispersed in a mixture of ethanol in CO2 containing initiator AIBN. The distribution ofdifferent components in this biphasic system has been determined by IR spectroscopyaccording to the pressure and the temperature. The thermal decomposition of AIBN indifferent reaction media has been investigated using UV-Vis spectroscopy. During thereaction, the droplets were used as reservoirs which insure the transfer of monomer to thecontinuous phase. Because of this rapid transfer compared to the reaction conversion, thepolymerization reaction was carried out continuously with a constant molar ratio betweenmonomer and initiator throughout the residence time (up to 41 min). It has been showed thata large range of molecular weights of poly(acrylic acid) (20 000 and 120 000 g.mol-1) withlow polydispersity index (1.35 à 1.70) can be obtained by just changing the initial monomerconcentration in the droplets. The effect of other parameters influencing the properties ofpoly(acrylic acid) as well as the locus of polymerization have been discussed.

Droplet-based microfluidics is a powerful tool permitting massive-scale single-cell analysis in pico-/nano-liter water-in-oil droplets. It has been integrated into various library preparation techniques to accomplish high-throughput scRNA-seq, scDNA-seq, scATAC-seq, scChIP-seq, as well as scMulti-omics-seq. These advanced technologies have been providing unique and novel insights into both normal differentiation and disease development at single-cell level. In this thesis, we develop four new droplet-based tools for single-cell omics profiling. First, the developed Drop-BS is the first droplet-based platform to construct single-cell bisulfite sequencing libraries for DNA methylome profiling and allows production of BS library of 2,000-10,000 single cells within 2 d. We applied the technology to separately profile mixed cell lines, mouse brain tissues, and human brain tissues to reveal cell type heterogeneity. Second, the new Drop-ChIP platform only requires two steps of droplet generation to achieve multiple steps of reactions in droplets such as single-cell lysis, chromatin fragmentation, ChIP, and barcoding. Third, we aim to establish a droplet-based platform to accomplish high-throughput full-length RNA-seq (Drop-full-seq), which both current tube-based and droplet-based methods cannot realize. Last, we constructed an in-house droplet-based tool to assist single-cell ATAC-seq library preparation (Drop-ATAC), which provided a low-cost and facile protocol to conduct scATAC-seq in laboratories without the expensive instrument. / Doctor of Philosophy / Microfluidics is a collection of techniques to manipulate fluids in the micrometer scale. One of microfluidic techniques is called "droplet-based microfluidics". It can manipulate (i.e., generate, merge, sort, split, etc) pico-/nano-liter of water-in-oil droplets. First, since the water phase is separated by the continuous oil phase, these droplets are discrete and individual reactors. Second, droplet-based microfluidics can achieve highly parallel manipulation of thousands to millions of droplets. These two advantages make droplet-based microfluidics an ideal tool to perform single-cell assays. Over the past 10 years, various droplet-based platforms have been developed to study single-cell transcriptome, genome, epigenome, as well as multi-ome. To expand droplet-based tools for single-cell analysis, we aim to develop four novel platforms in this thesis. First, Drop-BS, by integrating droplet generation and droplet fusion techniques, can achieve high-throughput single-cell bisulfite sequencing library preparation. It can generate 10,000 single-cell BS libraries within 2 days which is difficult to achieve for conventional library preparation in tubes/microwells. Second, we developed a novel and facile Drop-ChIP platform to prepare single-cell ChIP-seq library. It is easy to operate since it only requires two steps of droplet generation. It also generates higher quality of data compared to previous work. In addition, we are working on the development and characterization of the other two droplet-based tools to achieve full-length single-cell RNA-seq and single-cell ATAC-seq.

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.

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.

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

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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.