Microdroplets as microreactors for biology and chemistry in microfluidic systems

La compartimentation de la soupe primitive dans des vésicules est pensée comme étant une des premières étapes dans l’apparition de la vie. Ces compartiments primitifs permettent de lier une information génétique (génotype) avec les produits de son expression (phénotype). C’est une des premières étapes offrant la possibilité d’évolution et d’hérédité. En laboratoire l’évolution dirigée est basée sur les mêmes mécanismes de mutation et de sélection utilisés par l’évolution naturelle. Pour ce faire, le génotype et le phénotype sont couplés par une variété de méthodes, parmi lesquelles la Compartimentation In Vitro (CIV). Cette technique implique la création d’une émulsion dans laquelle des molécules d’ADN ou d’ARN, portant l’information génétique, sont isolées dans des gouttelettes aqueuses dispersées dans une phase d’huile non miscible. Ce confinement des gènes dans les gouttelettes permet leur maintien avec leurs produits d’expression établissant ainsi un lien entre génotype et phénotype. La conservation d’un lien entre génotype et phénotype est un pré-requis à l’évolution dirigée de macromolécules biologiques. Ces gouttelettes d’eau dans l’huile permettent de réaliser des millions d’expériences dans des compartiments microscopiques ayant des volumes de 103 à 109 fois plus petites que le puits d’une plaque de microtitration (1-2 μL). L’utilisation de ces émulsions pour l’évolution dirigée a déjà permis la sélection d'un large éventail de protéines et d’ARN impliqués dans différentes réactions catalytiques [...]The compartmentalization of the primordial soup into vesicles is thought to be one of the first steps of the emergence of organized cells. These water-in-oil-in-water droplets provide a linkage between genotype and phenotype. Moreover, through division they provide the possibility for heredity and evolution. By using manmade compartments, in form of bulk water-in-oil emulsions, it is possible to perform directed evolution experiments within the laboratory. These experiments use Darwinian principles comprising iterative cycles of mutation and selection. The bulk emulsions are composed of millions of individual droplets containing one single gene with all the ingredients necessary for the in vitro expression of those genes. The specific phenotype can then be selected under strictly controlled conditions. However, the emulsions created in bulk are highly polydisperse and have specific limitations when used for directed evolution experiments. Due to differences in droplet volumes it is difficult to perform quantitative experiments. Droplet-based microfluidics and in vitro compartmentalization (IVC) can be combined to perform directed evolution experiments. Droplet-based microfluidics produces highly monodisperse emulsions that can be manipulated in a highly controlled manner. By using a set of specific microfluidic devices it is possible to amplify single genes in droplets, to measure their in vitro expression and, in combination with a sorting device isolate the most active variants form a genetic library. [...