AQUATRAFFIC

Long-term curation through cryopreservation has never been achieved for more than 99% of the world’s vulnerable vertebrates, including fish, amphibians, reptiles and birds. This is due to formation of ice crystals from water trapped in their highly yolked (megalecithal) eggs, which are lethal to the cell. This not only impedes preservation of these endangered species, but also prevents the conservation of selected genetic traits in cultured fish populations for human consumption as well as in animal models of great value for biomedical research. In megalecithal oocytes and embryos, the yolk is stored in vesicles, termed yolk platelets (YPs), which are surrounded by a membrane with very low permeability to water and cryoprotectants. It is thus the YPs that are the major obstacle for the successful cryopreservation of vertebrates with megalecithal eggs. By studying an already known intracellular aquaporin, we have discovered a novel protein trafficking domain that can specifically target the channel to the YP membrane. We have also shown that the newly discovered YP-targeted protein trafficking domain can be used to engineer other water and solute channels directed to improve the permeability of the YP membrane. Using the combined transient expression of plasma membrane and YP targeted aquaporins in amphibian oocytes, we have demonstrated for the first time that this approach can remove the osmotically immobile water within the YPs, in order to avoid the lethal intracellular ice formation during cryopreservation. In mammals, this newly identified domain may be essential for controlling fluid secretion from the pancreatic acinar cells, because the same intracellular aquaporin is specifically expressed in zymogen granule membranes of these cells.

We therefore propose to protect the application of this novel product and method (based in a recombinant aquaporine showing an intracellular trafficking domain in membrane channels) both for the development of novel cryopreservation methods for aquaculture and biodiversity conservation and esource sustainability, as well as for biomedical reseach application like the establishment of novel therapeutic targets and molecular markers in pancreatic cancer and diabetes. We also propose to improve future commercialization of this technology by obtaining professional advice in the drafting of appropriate marketing and commercialization plans.

La conservació a llarg termini de més del 99% dels vertebrats en perill d’extinció, inclosos els peixos, els amfibis, els rèptils i les aus, mitjançant la criopreservació no s’ha aconseguit mai. Això es degut a la formació de cristalls de gel intracel·lulars letals per la cèl·lula a partir de l’aigua retinguda en els seus ous, els quals contenen una gran quantitat de vitel (anomenats megalecítics). Aquest problema no només impedeix la preservació d’aquestes espècies amenaçades, sinó que també dificulta la conservació de trets genètics seleccionats en poblacions de peixos cultivats per al consum humà, així com en models animals de gran valor per a la investigació biomèdica. En els ovòcits i embrions megalecítics, el vitel s’emmagatzema en vesícules, denominades plaquetes de vitel (en anglès Yolk platelets, YPs), que estan envoltades per una membrana amb molt baixa permeabilitat a l’aigua i als crioprotectors. Així, doncs, les YPs són el principal obstacle per a la criopreservació de vertebrats amb ous megalecítics. Mitjançant l’estudi d’una acuaporina intracel·lular ja coneguda, hem descobert un nou domini per el tràfic intracel·lular de proteïnes que dirigeix el canal específicament a la membrana de les YPs. També hem demostrat que aquest nou domini es pot utilitzar per dissenyar altres canals d’aigua i soluts dirigits a augmentar la permeabilitat de la membrana de les YPs. Utilitzant l’expressió transitòria combinada de acuaporines dirigides a la membrana plasmàtica i les YPs en ovòcits d’amfibi, hem demostrat per primera vegada que aquesta estratègia pot eliminar l’aigua osmòticament immòbil dins de les YPs per tal d’evitar la formació de gel intracel·lular letal durant la criopreservació. En els mamífers, aquest nou domini que hem identificat pot ser essencial per controlar la secreció de fluids de les cèl·lules acinars pancreàtiques, ja que la acuaporina intracel·lular que hem estudiat s’expressa específicament a les membranes dels grànuls de zimogen d’aquestes cèl·lules.

Per tant, proposem protegir l’aplicació d’aquest nou domini del tràfic intracel·lular en canals de membrana tant per al desenvolupament de nous mètodes de criopreservació per a la conservació de la biodiversitat com per a la sostenibilitat dels recursos biomèdics, així com per a l’establiment de noves dianes terapèutiques i marcadors moleculars en càncer de pàncrees i diabetis.