Development of high throughput microfluidic platforms for the measurement of the protein solution thermodynamic properties
Développement de plateformes microfluidiques à haut débit pour la mesure des propriétés thermodynamiques de la solution de protéine
Résumé
This thesis is focused on the development of more efficient protocols and systems, by means of generic microfluidic platforms for measuring thermodynamic properties of protein solutions. A simple method for manufacturing pressure-resistant microfluidic structures with high chemical resistance has been developed. In addition, the surface properties of the fabrication materials can be adjusted to generate hydrophilic and hydrophobic surfaces allowing to generate aqueous and non-aqueous emulsions. On a first approach, the study of protein-protein interactions in solution was successfully performed using just a few milligrams of product by coupling a microfluidic platform, developed ad-hoc for this application, to small angle X-ray scattering. The obtained experimental data were used to calculate the second virial coefficient, thermodynamic parameter which quantifies protein interactions. A second and new experimental approach has also been developed to determine protein equations of state (EOS), which relate protein osmotic pressure to its volume fraction in solution. This novel methodology is based on the study of the mass transfer between a dispersed and a continuous phase, which are generated and controlled by means of a microfluidic setup. For a given range of water activity, the resulting EOS was found to be in good agreement with data reported in the literature. To link the mass transfer dynamics to the thermodynamic properties of the system a first modeling approach was proposed. This approach aims to determine the EOS of the protein using a single droplet.
Les travaux de cette thèse portent sur le développement de système microfluidiques génériques pour la mesure de propriétés thermodynamiques de solutions de proteines. Un procédé simple de fabrication de puces microfluidiques résistantes à la pression ainsi qu'à la majorité des solvants organiques a été développé. En outre, les propriétés de surface des microcanaux peuvent être ajustées afin de générer des émulsions eau dans huile ou huile dans l'eau. L'étude des interactions proteines-proteines en solution a été réalisée en couplant ces dispositifs expérimentaux à la diffusion de rayonnement X aux petits angles. Avec seulement quelque milligramme de produit, les données expérimentales obtenues ont permis de calculer le second coefficient du Viriel, grandeur thermodynamique permettant de quantifier les interactions entre protéines. Une nouvelle approche expérimentale a également été développée afin de déterminer l'équation d'état du lysozyme, équation reliant la pression osmotique à la fraction volumique. Ce système microfluidique est basé sur le transfert de matière entre d'une phase dispersée vers une phase continue. Dans une certaine gamme d'activité de l'eau, l'équation d'état obtenu est en bon accord avec les données de la littérature. Afin de relier la dynamique du transfert aux propriétés thermodynamique du système une première approche de modélisation est proposée. Cette approche a pour but de déterminer l'équation d'état de la protéine avec une seule goutte.
Origine : Version validée par le jury (STAR)