ZooMS – Zooarchaeology by Mass Spectrometry (questa sconosciuta)

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L’immagine mostra il principio di funzionamento della tecnica basata sul rilevamento delle impronte peptidiche. In particolare, si osservi lo spostamento del picco verde chiaro nello spettro dovuto alla sostituzione di un aminoacido nella catena (da Collins et al., 2010)

Oggi vi presentiamo una tecnica semplice, a basso costo e versatile che negli ultimi anni è stata protagonista di diverse ricerche. Materiale di applicazione? Animali o materiali di origine animale, ovvero, un altro di quei beni a cui raramente si pensa se associato alle parole “patrimonio culturale” o “archeologia”. 

La verità è che la capacità di poter distinguere un animale a livello di specie ha una grande importanza nell’ambito della ricerca archeologica, storica, artistica e conservativa e, fino a pochi anni fa, non sempre si poteva avere una risposta. Oggi, a risolvere molte situazioni, ci pensa ZooMS, acronimo di Zooarchaology by Mass Spectrometry. Qualche esempio di applicazione? Si pensi agli innumerevoli frammenti di resti ossei animali tipici negli scavi archeologici e difficilemente identificabili (ben noto il continuo arrovellarsi degli zooarcheologi “sarà pecora o sarà capra?” per poi optare per la nota dicitura ovis vel capra) (e.g., Buckley et al., 2009; Buckley et al., 2010; Buckley & Collins, 2011; Buckley and Kansa, 2011; Richter et al., 2011; Stewart et al., 2013); o a quegli strumenti in osso che possono dare preziose informazioni sull’economia o sui rapporti commerciali tra gruppi umani, come nel caso dei pettini dei vichinghi (von Holstein et al., 2014); o ancora, la possibilità di poter rivelare alcuni misteri storici, come quello del famoso “vello uterino” utilizzato per le bibbie tascabili del XIII secolo (Fiddyment et al., 2015). Questi sono solo alcuni esempi di applicazione di ZooMS già pubblicati, ma molti altri sono in cantiere e altri ancora aspettano solo una buona domanda archeologica, storica o artistica a cui rispondere. Unica prerogativa? La presenza di collagene.

ZooMS, infatti, si basa sulla possibilità di discriminare una specie animale dall’altra osservando diverse “impronte peptidiche” del collagene (una proteina a cui vi abbiamo introdotto qui), ovvero sequenze aminoacidiche caratteristiche di un particolare gruppo animale. Questo è vero per diverse proteine ma, essendo il collagene quella che meglio si conserva nel tempo anche se esposto ad alte temperature, è certamente quella di più facile utilizzo nell’ambito dei beni culturali (e.g., Covington et al., 2010). In un classico protocollo ZooMS applicato su un frammento osseo di cui si vuole conoscere la specie di appartenenza, come quello originariamente pubblicato da Buckley e colleghi nel 2009, il collagene viene prima estratto (se vi trovate in un laboratorio di bioarcheologia, è probabile che questo sia già stato estratto precedentemente per essere sottoposto ad analisi di datazione al radiocarbonio o di isotopi stabili) e successivamente una piccola quantità, generalmente intorno ad 1 mg, viene liberata nei suoi peptidi, attraverso digestione enzimatica (solitamente si preferisce la tripsina, un enzima proteasi). La soluzione viene purificata utilizzando dei particolari puntali con filtro in resina (10 μl Millipore C-18 resin ZipTip) che prima intrappolano e poi rilasciano i peptidi in una nuova soluzione a base di acetonitrile (ACN) 50% e acido trifluorico (TFA) 0.1%. Il rilevamento dei peptidi avviene attraverso l’utilizzo di uno spettrometro di massa con tecnica di desorbimento/ionizzazione laser assistito da matrice (Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization – MALDI), al quale si devono i bassi costi di analisi (circa 15€ a campione secondo quanto riportato da van Doorn (2014)). Poiché richiesto da questa tecnica di ionizzazione, i peptidi vengono fatti assorbire da una matrice, come l’acido α-ciano-4-idrossicinnamico, e vengono irradiati dal laser che ne determinerà la ionizzazione. L’analizzatore di massa a tempo di volo (Time of Flight - TOF) misura il tempo che ogni analita (peptide in forma ionica) impiega ad attraversare il tubo di volo per raggiungere il rivelatore. Ciò che si ottiene è uno spettro nel quale ad ogni picco corrisponde un rapporto massa-carica. Ogni volta che una sostituzione nella sequenza aminoacidica di un peptide si verifica, il rapporto massa-carica del peptide cambia e verrà visualizzato in una posizione diversa dello spettro (come illustrato in figura). Moltissime di queste “impronte peptidiche” sono state pubblicate e dei database sono già disponibili per il confronto. Perché non mettere ZooMS alla prova?
Ci vediamo presto con qualche focus su alcune delle più interessanti applicazioni!

Silvia 

References

Buckley, M., Collins, M., Thomas‐Oates, J., & Wilson, J. C. (2009). Species identification by analysis of bone collagen using matrix‐assisted laser desorption/ionisation time‐of‐flight mass spectrometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry: An International Journal Devoted to the Rapid Dissemination of Up‐to‐the‐Minute Research in Mass Spectrometry, 23(23), 3843-3854.

Buckley, M., Kansa, S. W., Howard, S., Campbell, S., Thomas-Oates, J., & Collins, M. (2010). Distinguishing between archaeological sheep and goat bones using a single collagen peptide. Journal of Archaeological Science, 37(1), 13-20.

Buckley, M., & Collins, M. J. (2011). Collagen survival and its use for species identification in Holocene-lower Pleistocene bone fragments from British archaeological and paleontological sites. Antiqua, 1(1), 1.

Buckley, Mike, and Sarah Whitcher Kansa. (2011). Collagen fingerprinting of archaeological bone and teeth remains from Domuztepe, South Eastern Turkey. Archaeological and Anthropological Sciences 3.3: 271-280.

Collins, M., Buckley, M., Grundy, H. H., Thomas-Oates, J., Wilsona, J., & van Doorna, N. (2010). ZooMS: the collagen barcode and fingerprints. group (Saarland University, Germany), 1, 2.

Covington, A. D., Song, L., Suparno, O., Koon, H. E., & Collins, M. J. (2010). Link-lock: an explanation of the chemical stabilisation of collagen. World Leather, 23(5), 35-43.

Fiddyment, S., Holsinger, B., Ruzzier, C., Devine, A., Binois, A., Albarella, U.,  Fischer, R.,  Nichols E.,, Curtis, A., Cheese E., Teasdale, M. D., Checkley-Scott, C., Milner, S.J.,  Rudy, K. M.,  Johnson, E. J., Vnouček, J., Garrison, M., McGrory, S.,  Bradley, D. G. and Collins, M. J., (2015). Animal origin of 13th-century uterine vellum revealed using noninvasive peptide fingerprinting. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(49), 15066-15071.

Richter, K. K., Wilson, J., Jones, A. K., Buckley, M., van Doorn, N., & Collins, M. J. (2011). Fish’n chips: ZooMS peptide mass fingerprinting in a 96 well plate format to identify fish bone fragments. Journal of Archaeological Science, 38(7), 1502-1510.

Stewart, J. R., Allen, R. B., Jones, A. K., Penkman, K. E., & Collins, M. J. (2013). ZooMS: making eggshell visible in the archaeological record. Journal of Archaeological Science, 40(4), 1797-1804.

van Doorn, N. L. (2014). Zooarchaeology by mass spectrometry (ZooMS). In Encyclopedia of global archaeology (pp. 7998-8000). Springer, New York, NY.

von Holstein, I. C., Ashby, S. P., van Doorn, N. L., Sachs, S. M., Buckley, M., Meiri, M.,  Barnes I., Brundle, A., Collins, M. J. (2014). Searching for Scandinavians in pre-Viking Scotland: molecular fingerprinting of Early Medieval combs. Journal of Archaeological Science, 41, 1-6.