Monitoring biochemical reactions in stationary droplets
Microfluidique de gouttes pour l'étude cinétique de réactions biochimiques
Résumé
Droplet microfluidics - i.e. the use of droplets as microreactors - offers significant advantages for the study of biological systems. In this work, we present a new platform for the production and manipulation of microfluidic droplets in view of measuring the evolution of biochemical reactions. Contrary to existing approaches, our device uses gradients of confinement to produce a single drop on demand and guide it to a pre-determined location. In this way, two nanoliter drops containing different reagents can be placed in contact and merged together in order to trigger a chemical reaction. Then, an analysis of the observed reaction front yields the reaction rate. We start with the case of one step reactions. We derive a one dimensional reaction-diffusion model for the reaction front and compare numerical and analytical solutions of our model to experiments held in our microsystem. Then, we turn our attention to the case of enzymatic reactions. First, we show how the device operation can be parallelized in order to react an initial sample with a range of compounds or concentrations and we perform standard well-mixed enzyme assays with our parallelized chip, thereby mimicking titer plate assays in droplets. Second, we build onto our reaction-diffusion model to predict the rate of fast enzymatic reactions held in our device. Again, numerical and analytical solutions of our model are compared to experiments done in droplets which yields measurements of the kinetic parameters of the reaction at play.
La microfluidique de gouttes - i.e. l'emploi de gouttelettes comme microréacteurs - offre de nombreux avantages pour l'étude des systèmes biologiques. Dans ce travail de thèse, nous présentons une nouvelle approche pour la production et la manipulation de gouttelettes au sein de microcanaux afin de suivre l'avancement de réactions biochimiques au cours du temps. Contrairement aux approches existantes, notre dispositif utilise des gradients de confinement afin de produire et guider une unique goutte vers son lieu de stockage. Ce faisant, deux gouttes de contenus différents peuvent être appariées et fusionnées afin de déclencher une réaction chimique. Les réactifs n'étant pas activement mélangés, un front de réaction se propage alors le long de la goutte fille duquel on peut extraire la cinétique de la réaction. Nous commençons par l'étude de réactions simples ayant lieu en une étape. Un modèle 1D de réaction-diffusion permet de représenter la dynamique du front de réaction ce qui est vérifié en confrontant les solutions de ce modèle, obtenues numériquement ou analytiquement, à des mesures effectuées en gouttes. Puis, nous nous intéressons au cas des réactions enzymatiques. Nous démontrons d'abord la parallélisation de notre technique d'appariement de gouttes afin de reproduire en microcanal différents tests enzymatiques usuellement effectués en plaque multipuits. Finalement, nous étudions le cas des réactions enzymatiques rapides à l'aide de notre modèle de réaction-diffusion. Là encore, la comparaison d'expériences tenues en gouttes et de prédiction issues de notre modèle nous permet d'extraire une mesure des paramètres cinétiques de la réaction mise en jeu.