Note publique d'information : La compartimentalisation de la "soupe primordiale" dans des vésicules est considérée
comme l'un des principaux facteurs ayant permis l'émergence de la vie. Ces gouttelettes
de quelques micromètres créent un lien entre génotype et phénotype, et grâce à la
division, un mécanisme pour l’hérédité et l’évolution, qui a conduit à l'émergence
des cellules actuelles. De tels microcompartiments, peuvent être créés au laboratoire
sous la forme d’une émulsion composée de millions de gouttelettes contenant des gènes
et tous les ingrédients nécessaires pour leur expression in vitro. Ces émulsions miment
ainsi des populations de cellules artificielles qui peuvent être sélectionnées pour
un phénotype donné sous des conditions strictement contrôlées non réalisables dans
des systèmes in vivo. Cette thèse de doctorat présente le développement de systèmes
microfluidiques pour l’évolution dirigée. Les résultats obtenus montrent qu’il est
possible de produire des gouttelettes hautement monodisperses pouvant être manipulées
de manière précise et contrôlable, ce qui était jusqu’à présent impossible pour des
émulsions réalisées par des méthodes classiques. En utilisant un ensemble de nouveaux
dispositifs microfluidiques et une composition adéquate d’huile porteuse, des gènes
uniques ont été amplifiés et leur expression in vitro mesurée en microgouttelettes.
Ces dispositifs ont ensuite été utilisés pour réaliser et analyser des réactions biologiques
complexes et multi-étapes. Une technique originale de fusion passive de paires de
gouttelettes a également été développée. Ces travaux constituent les premiers pas
vers la création de plate-formes microfluidiques intégrées et totalement in vitro.
Note publique d'information : The compartmentalization of the primordial soup into vesicles is thought to be one
of the key features in the early emergence of life. These tiny micrometer-sized droplets
provided a linkage between phenotype and genotype, and through division, a mechanism
for heredity and evolution, which gave rise to modern cells. Man-made compartments,
in the form of an emulsion, can also provide a tool of linking genotype to phenotype.
Composed of millions of droplets containing genes with all ingredients necessary for
in vitro expression, emulsions mimic populations of artificial cells that can be selected
for a particular phenotype under strictly controlled conditions not feasible in living
systems. The research described in this doctoral thesis focuses on the development
of droplet-based microfluidics for protein evolution and presents the first steps
toward an integrated and completely in vitro microfluidics platform. The results obtained
in this work show that it is possible to produce highly monodisperse picoliter volume
droplets (CV<1%) that can be manipulated in a precise and controllable manner, previously
impossible in bulk emulsions. Using a set of novel microfluidic devices and an adequate
composition of carrier oil single genes in droplets were amplified and their in vitro
expression measured. The same microfluidic system was also used to perform multiple
operations in order to analyze complex and sequential biological reactions in droplets.
Moreover, a new passive droplet fusion technique has been developed, which can be
used for preparation of monodisperse emulsions composed of pairwise fused droplets.
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