We describe a highly efficient microfluidic fluorescence-activated droplet sorter (FADS) combining many of the advantages of microtitre-plate screening and traditional fluorescence-activated cell sorting (FACS). Single cells are compartmentalized in emulsion droplets, which can be sorted using dielectrophoresis in a fluorescence-activated manner (as in FACS) at rates up to 2000 droplets s−1. To validate the system, mixtures of E. colicells, expressing either the reporter enzyme β-galactosidase or an inactive variant, were compartmentalized with a fluorogenic substrate and sorted at rates of ∼300 droplets s−1. The false positive error rate of the sorter at this throughput was <1 in 104 droplets. Analysis of the sorted cells revealed that the primary limit to enrichment was the co-encapsulation of E. colicells, not sorting errors: a theoretical model based on the Poisson distribution accurately predicted the observed enrichment values using the starting cell density (cells per droplet) and the ratio of active to inactive cells. When the cells were encapsulated at low density (∼1 cell for every 50 droplets), sorting was very efficient and all of the recovered cells were the active strain. In addition, single active droplets were sorted and cells were successfully recovered.

In vitro screening systems based on the coupled transcription and translation of genes using cell-free systems have a number of attractive features for protein engineering and directed evolution. We present a completely in vitro ultrahigh-throughput screening platform using droplet-based microfluidics. Single genes are compartmentalized in aqueous droplets, dispersed in inert carrier oil, and amplified using the polymerase chain reaction (PCR). After amplification, the droplets, now containing 30 000 copies of each gene, are fused one-to-one with droplets containing a cell-free coupled transcription–translation (IVTT) system and the reagents for a fluorogenic assay. Fluorescence-activated electrocoalescence with an aqueous stream is then used to selectively recover genes from droplets containing the desired activity. We demonstrate, by selecting mixtures of lacZ genes encoding the enzyme β-galactosidase and lacZmut genes encoding an inactive variant, that this system can sort at 2000 droplets s−1: lacZ genes were enriched 502-fold from a 1 : 100 molar ratio of lacZ : lacZmut genes. Indeed, the false positive and false negative error rates were both <0.004 and the results indicate that enrichment is not limited by the sorting efficiency, but by the co-encapsulation of multiple genes in droplets, which is described by the Poisson distribution. Compared to screening using microtiter plate-based systems, the volume and cost of PCR and IVTT reagents are reduced by almost 105-fold, allowing the screening of 106 genes using only 150 μL of reagents.

Despite having many key roles in cellular biology, directly imaging biologically important RNAs has been hindered by a lack of fluorescent tools equivalent to the fluorescent proteins available to study cellular proteins. Ideal RNA labelling systems must preserve biological function, have photophysical properties similar to existing fluorescent proteins, and be compatible with established live and fixed cell protein labelling strategies. Here, we report a microfluidics-based selection of three new high-affinity RNA Mango fluorogenic aptamers. Two of these are as bright or brighter than enhanced GFP when bound to TO1-Biotin. Furthermore, we show that the new Mangos can accurately image the subcellular localization of three small non-coding RNAs (5S, U6, and a box C/D scaRNA) in fixed and live mammalian cells. These new aptamers have many potential applications to study RNA function and dynamics both in vitro and in mammalian cells.

Abstract Anti-cancer therapies often exhibit only short-term effects. Tumors typically develop drug resistance causing relapses that might be tackled with drug combinations. Identification of the right combination is challenging and would benefit from high-content, high-throughput combinatorial screens directly on patient biopsies. However, such screens require a large amount of material, normally not available from patients. To address these challenges, we developed a scalable microfluidic workflow to screen hundreds of drug combinations in picoliter-size droplets using transcriptome changes as a readout for drug effects. We devised a deterministic combinatorial DNA barcoding approach to encode treatment conditions, enabling the gene expression-based readout of drug effects in a highly multiplexed fashion. We applied our method to screen the effect of 420 drug combinations on the transcriptome of K562 cells using only ∼250 single cell droplets per condition, to successfully predict synergistic and antagonistic drug pairs, as well as their pathway activities.

Enzymes are instrumental to life and key actors of pathologies, making them relevant drug targets. Most enzyme inhibitors consist of small molecules. Although efficient, their development is long, costly and can come with unwanted off-targeting. Substantial gain in specificity and discovery efficiency is possible using biologicals. Best exemplified by antibodies, these drugs derived from living systems display high specificity and their development is eased by harnessing natural evolution. Aptamers are nucleic acids sharing functional similarities with antibodies while being deprived of many of their limitations. Yet, the success rate of inhibitory aptamer discovery remained hampered by the lack of an efficient discovery pipeline. In this work, we addressed this issue by introducing an ultrahigh-throughput strategy combining in vitro selection, microfluidic screening and bioinformatics. We demonstrate its efficiency by discovering a modified aptamer that specifically and strongly inhibits SPM-1, a beta-lactamase that remained recalcitrant to the development of potent inhibitors.