Microfluidic platform for optimization of protein crystallization conditions
Plateforme microfluidique pour l'optimisation des conditions de cristallisation des protéines
Résumé
The aim of this work is the development of a versatile microfluidique platform for protein crystallization, combining statistical studies, material saving, speed of execution and ease of use. The aim is to develop a unique tool to address the different issues of proteins crystallization: identification of a robust crystallization condition via screening and optimization, and co-crystallization of a protein with ligands for structure-based drug design. For this purpose, a versatile droplet-based microfluidic method without adding any surfactant is used. It allows the generation of hundreds or even thousands of droplets of a few nanoliters in which the crystallization takes place independently. Droplets composition is controlled by the flow rates of the different solutions using programmable syringe pumps and checked on-line by UV-visible spectroscopy. Many different crystallization conditions can thus be tested quickly: nature and concentration of crystallization agent(s), addition of a ligand, etc. In addition, the crystals obtained using this microfluidic platform are characterized in situ and ex situ by X-ray diffraction.
The platform is applied to the crystallization of two proteins, first a model protein, lysozyme, and then a protein of pharmaceutical interest, quinone reductase 2. Thus we have developed a tool suitable to constraints of pharmaceutical industry, in order to be transferred to research laboratories for routine use by non-specialists of microfluidics. This platform permits a high throughput screening approach, or HTS, and tends to the automation of both screening and X-ray diffraction.
Cette thèse porte sur le développement d’une plateforme microfluidique polyvalente pour la cristallisation des protéines alliant études statistiques, économie de matière, rapidité d’exécution et facilité d’utilisation. L’objectif est de développer un outil unique pour répondre aux différentes problématiques de la cristallisation des protéines : l’identification d’une condition de cristallisation robuste via le criblage et l’optimisation, ainsi que la co-cristallisation d’une protéine et de ligands pour le structure-based drug design. Pour cela, une méthode microfluidique versatile à base de gouttes et sans tensioactif est utilisée. Elle permet la génération de centaines voire milliers de gouttes de quelques nanolitres dans lesquelles la cristallisation peut avoir lieu indépendamment. La composition des gouttes est contrôlée par les débits des différentes solutions à l’aide de pousse-seringues programmable et vérifiée en ligne par spectrométrie UV-visible. De nombreuses conditions de cristallisation différentes peuvent ainsi être testées rapidement : nature et concentration de(s) agent(s) de cristallisation, ajout d’un ligand, etc. De plus, les cristaux obtenus à l’aide de cette plateforme microfluidique sont caractérisés in situ et ex situ par diffraction des rayons X.
Cette plateforme est appliquée à la cristallisation de deux protéines, tout d’abord une protéine modèle, le lysozyme, puis une protéine d’intérêt pharmaceutique, la quinone réductase de type 2. Ainsi, nous avons développé un outil adapté aux contraintes de l’industrie pharmaceutique qui peut être transféré dans un laboratoire de recherche pour une utilisation de routine par des non-spécialistes de la microfluidique. La plateforme permet d’avoir une approche de criblage à haut débit, ou HTS, et de tendre vers l’automatisation à la fois du criblage et de la diffraction des rayons X.
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