Droplet-based microfluidics at the femtoliter scale

La microfluidique en gouttes permet l’analyse de systèmes biochimiques à grand débit, en utilisant de faibles volumes réactionnels, à faible coût. Dans l’état de l’art, le volume des gouttes varie entre 2 pL et 4 nL, un millier à million de fois inférieur au volume d’un puit de microplaque. Miniaturiser d’avantage les volumes réactionnels permettrait d’augmenter encore les débits d’analyse, de d’avantage réduire les coûts et ouvre également l’accès à de nouvelles études, telles que les études sur molécule unique ou la délivrance de médicaments. La première partie de ce travail de thèse concerne la miniaturisation des opérations classiques de la microfluidique en gouttes à l’échelle femtolitrique: production, stabilité, biocompatibilité, mélange en gouttes, coalescence, tri, division de gouttes, production à la demande ont été démontrés avec succès sur des gouttelettes femtolitriques. Le tout a été permis en restant dans les limites de la technologie PDMS et des standards classiques de la lithographie. La seconde partie s’intéresse à certaines applications biologiques issues du couplage de gouttelettes picolitriques et femtolitriques. Une plateforme permettant l’encodage in situ de gouttes à l’aide de codes barres d’ADN lisibles par séquençage a été construite. Deux autres applications ont été envisagées: un projet concernant l’émergence des chromosomes dans un monde prébiotique qui nécessitait des facteurs de dilution de l’ordre de 1:1000 et un projet de cartographie génotype-phénotype sur une enzyme qui nécessitait deux dilutions par 10 ont bénéficié de la miniaturisation à l’échelle femtolitrique.Droplet-based microfluidics has demonstrated its multiple advantage over standard microtiter plates technologies by increasing analysis throughputs, decreasing costs and enabling the encapsulation of single cells into individual reservoirs. In the state-of-the-art, droplet volumes usually range from 2 pL to 4nL, one thousand to one million times smaller than microtiter plate wells. This PhD work focuses on the miniaturization of biological reservoirs down to the femtoliter scale which would enable an increase of throughputs of analysis and open up access to new studies, such as single-molecule studies or drug delivery. The first part of this manuscript concentrates on the miniaturization of elementary operations of droplet-based microfluidics down to the femtoliter scale. Production, mixing, electrocoalescence, DEP sorting, splitting, drop-on-demand, stability, biocompatibility were successfully demonstrated on droplets of a few micrometers diameter. The second part of this manuscript focuses on some biological applications that were developed with the LBC. A platform for the in situ encoding of droplets with DNA barcodes readable per sequencing was developped. Two other applications were envisioned: a project studying the conditions that prevailed the apparition of chromosomes in an early RNA world and a genotype-phenotype mapping project benefited from downscaling to the femtoliter scale