ABSTRACT In the past five years, droplet microfluidic techniques have unlocked new opportunities for the high-throughput genome-wide analysis of single cells, transforming our understanding of cellular diversity and function. However, the field lacks an accessible method to screen and sort droplets based on cellular phenotype upstream of genetic analysis, particularly for large and complex cells. To meet this need, we developed Dropception, a robust, easy-to-use workflow for precise single-cell encapsulation into picoliter-scale double emulsion droplets compatible with high-throughput phenotyping via fluorescence-activated cell sorting (FACS). We demonstrate the capabilities of this method by encapsulating five standardized mammalian cell lines of varying size and morphology as well as a heterogeneous cell mixture of a whole dissociated flatworm (5 - 25 μm in diameter) within highly monodisperse double emulsions (35 μm in diameter). We optimize for preferential encapsulation of single cells with extremely low multiple-cell loading events (<2% of cell-containing droplets), thereby allowing direct linkage of cellular phenotype to genotype. Across all cell lines, cell loading efficiency approaches the theoretical limit with no observable bias by cell size. FACS measurements reveal the ability to discriminate empty droplets from those containing cells with good agreement to single-cell occupancies quantified via microscopy, establishing robust droplet screening at single-cell resolution. High-throughput FACS phenotyping of cellular picoreactors has the potential to shift the landscape of single-cell droplet microfluidics by expanding the repertoire of current nucleic acid droplet assays to include functional screening. ABSTRACT FIGURE

Abstract Our understanding of in situ microbial physiology is primarily based on physiological characterization of fast-growing and readily-isolatable microbes. Microbial enrichments to obtain novel isolates with slower growth rates or physiologies adapted to low nutrient environments are plagued by intrinsic biases for fastest-growing species when using standard laboratory isolation protocols. New cultivation tools to minimize these biases and enrich for less well-studied taxa are needed. In this study, we developed a high-throughput bacterial enrichment platform based on single cell encapsulation and growth within double emulsions (GrowMiDE). We showed that GrowMiDE can cultivate many different microorganisms and enrich for novel taxa that are never observed in traditional batch enrichments. For example, preventing dominance of the enrichment by fast-growing microbes due to nutrient privatization within the double emulsion droplets allowed cultivation of novel Negativicutes and Methanobacteria from stool samples in rich media enrichment cultures. In competition experiments between growth rate and growth yield specialist strains, GrowMiDE enrichments prevented competition for shared nutrient pools and enriched for slower-growing but more efficient strains. Finally, we demonstrated the compatibility of GrowMiDE with commercial fluorescence-activated cell sorting (FACS) to obtain isolates from GrowMiDE enrichments. Together, GrowMiDE + DE-FACS is a promising new high-throughput enrichment platform that can be easily applied to diverse microbial enrichments or screens.

We have developed a high-throughput single-cell ATAC-seq (assay for transposition of accessible chromatin) method to measure physical access to DNA in whole cells. Our approach integrates fluorescence imaging and addressable reagent deposition across a massively parallel (5184) nano-well array, yielding a nearly 20-fold improvement in throughput (up to ~1800 cells/chip, 4-5 hour on-chip processing time) and cost (~98¢ per cell) compared to prior microfluidic implementations. We applied this method to measure regulatory variation in Peripheral Blood Mononuclear Cells (PBMCs) and show robust, de- novo clustering of single cells by hematopoietic cell type.

Coral reefs, and their associated diverse ecosystems, are of enormous ecological importance. In recent years, coral health has been severely impacted by environmental stressors brought on by human activity and climate change, threatening the extinction of several major reef ecosystems. Reef damage is mediated by a process called 'coral bleaching' where corals, sea anemones, and other cnidarians lose their photosynthetic algal symbionts (genus Symbiodinium) upon stress induction, resulting in drastically decreased host energy harvest and, ultimately, coral death. The mechanism by which this critical cnidarian-algal symbiosis is lost remains poorly understood. Here, we report 'Traptasia', a simple microfluidic device with multiple traps designed to isolate and image individual live larvae of Aiptasia, a sea anemone model organism, and their algal symbionts over extended time courses. Aiptasia larvae are 100 μm in length, deformable, and highly motile, posing particular challenges for long-term imaging. Using a trap design optimized via fluid flow simulations and polymer bead loading tests, we trapped Aiptasia larvae containing algal symbionts and demonstrated stable imaging for >10 hours. We visualized algal migration within Aiptasia larvae and observed algal expulsion under an environmental stressor. To our knowledge, this device is the first to enable live imaging of cnidarian larvae and their algal symbionts and, in further implementation, could provide important insights into the cellular mechanisms of coral bleaching under different environmental stressors. The device is simple to use, requires minimal external equipment and no specialized training to operate, and can easily be adapted to study a variety of large, motile organisms.

Double emulsion droplets (DEs) are water/oil/water droplets that can be sorted via Fluorescence-Activated Cell Sorting (FACS), allowing for new opportunities in high-throughput cellular analysis, enzymatic screening, and synthetic biology. These applications require stable, uniform droplets with predictable microreactor volumes. However, predicting DE droplet size, shell thickness, and stability as a function of flow rate has remained challenging for monodisperse single core droplets and those containing biologically-relevant buffers, which influence bulk and interfacial properties. As a result, developing novel DE-based bioassays has typically required extensive initial optimization of flow rates to find conditions that produce stable droplets of the desired size and shell thickness. To address this challenge, we conducted systematic size parameterization quantifying how differences in flow rates and buffer properties (viscosity and interfacial tension at water/oil interfaces) alter droplet size and stability, across 6 inner aqueous buffers used across applications such as cellular lysis, microbial growth, and drug delivery, quantifying the size and shell thickness of >22,000 droplets overall. We restricted our study to stable single core droplets generated in a 2-step dripping-dripping formation regime in a straightforward PDMS device. Using data from 138 unique conditions (flow rates and buffer composition), we also demonstrated that a recent physically-derived size law of Wang et al 1 can accurately predict double emulsion shell thickness for >95% of observations. Finally, we validated the utility of this size law by using it to accurately predict droplet sizes for a novel bioassay that requires encapsulating growth media for bacteria in droplets. This work has the potential to enable new screening-based biological applications by simplifying novel DE bioassay development.

Abstract Microfluidic droplet assays enable single-cell PCR and sequencing assays at unprecedented scale, with most methods encapsulating cells within nanoliter sized single emulsion droplets (water-in-oil). Encapsulating cells within picoliter double emulsion (DE) (water-in-oil-in-water) droplets allows sorting on commercially available FACS machines, making it possible to isolate single cells based on phenotypes of interest for downstream sequencing and PCR analyses. However, DE droplets must be within the range of large cells (<20 pl) for sorting on standard cytometers, posing challenges for molecular biology as prior reports suggest that reverse transcription (RT) and PCR amplification cannot proceed efficiently at volumes below 1 nL due to cell lysate-induced inhibition. To overcome this limitation, we used a plate-based RT-PCR assay designed to mimic reactions in picoliter droplets to systematically quantify and ameliorate the inhibition. We find that RT-PCR is blocked by lysate-induced cleavage of nucleic acid probes and primers, but that this cleavage can be efficiently alleviated through heat lysis that simultaneously inactivates inhibitory lysate components. We further show that the magnitude of RT-PCR inhibition depends strongly on cell type, but that RT-PCR can proceed in low-picoscale reaction volumes for most cell lines tested. Finally, we demonstrate one-step RT-PCR from single cells in 20 pL double emulsion droplets with fluorescence detectable via FACS. These results open up exciting new avenues for improving picoscale droplet RT-PCR reactions and expanding microfluidic droplet based single-cell analysis technologies.

Microfluidic technologies have been used across diverse disciplines (e.g. high-throughput biological measurement, fluid physics, laboratory fluid manipulation) but widespread adoption has been limited due to the lack of openly disseminated resources that enable non-specialist labs to make and operate their own devices. Here, we report the open-source build of a pneumatic setup capable of operating both single and multilayer (Quake-style) microfluidic devices with programmable scripting automation. This setup can operate both simple and complex devices with 48 device valve control inputs and 18 sample inputs, with modular design for easy expansion, at a fraction of the cost of similar commercial solutions. We present a detailed step-by-step guide to building the pneumatic instrumentation, as well as instructions for custom device operation using our software, Geppetto, through an easy-to-use GUI for live on-chip valve actuation and a scripting system for experiment automation. We show robust valve actuation with near real-time software feedback and demonstrate use of the setup for high-throughput biochemical measurements on-chip. This open-source setup will enable specialists and novices alike to run microfluidic devices easily in their own laboratories.

Droplet microfluidics has made large impacts in diverse areas such as enzyme evolution, chemical product screening, polymer engineering, and single-cell analysis. However, while droplet reactions have become increasingly sophisticated, phenotyping droplets by a fluorescent signal and sorting them to isolate variants-of-interest remains a field-wide bottleneck. Here, we present an optimized double emulsion workflow, sdDE-FACS, that enables high-throughput phenotyping, selection, and sorting of droplets using standard flow cytometers. Using a 130 μ m nozzle, we demonstrate robust post-sort recovery of intact droplets, with little to no shear-induced droplet breakage, at high sort frequency (12-14 kHz) across two industry-standard FACS instruments. We report the first quantitative plate statistics for double emulsion droplet isolation and demonstrate single droplet recovery with >70% efficiency. In addition, we establish complete downstream recovery of nucleic acids from single, sorted double emulsion droplets, an advance in droplet sorting comparable with the capabilities of single-cell FACS. This work resolves several hurdles in the field of high-throughput droplet analysis and paves the way for a variety of new droplet assays, including rare variant isolation and multiparameter single-cell analysis, marrying the full power of flow cytometry with droplet microfluidics.

Weak, transient binding of globular protein domains to Short Linear Motifs (SLiMs) in disordered regions of other proteins drive cellular signaling. Mapping the energy landscape of such interactions is essential for deciphering signaling networks and developing therapeutic inhibitors, but is complicated by technical challenges associated with quantitatively measuring weak interactions in high-throughput. Here, we synthesize peptide libraries on spectrally encoded beads with each peptide sequence uniquely linked to a spectral code (MRBLE-pep), allowing high-throughput quantification of protein-peptide binding via imaging. Using computational modeling and MRBLE-pep assays, we map the affinity landscape for human calcineurin (CN), a conserved protein phosphatase essential for the immune response and target of immunosuppressants, interacting with a known SLiM (PxIxIT). We find that PxIxIT recognition depends critically on flanking residues and is regulated by post-translational modifications. Using this information, we designed PxIxIT peptides with unprecedented affinity and therapeutic potential that strongly inhibit CN function in vivo.