New developments in high-resolution mass spectrometry for proteomic analysis applied to cultural heritage : study of intact proteins, their cross-linking and interaction in artworks and museum objects
Nouveaux développements en spectrométrie de masse de haute résolution pour l’analyse protéomique appliquée au patrimoine culturel : étude des protéines intactes, de leurs réticulations et leurs intéractions dans les oeuvres d’art et les objets de musées
Résumé
Proteins in cultural heritage objects constitute a critical source of information. Their detection and characterisation can provide an accurate comprehension of the artist’s technique and formulations. A more in-depth insight of the state of conservation and history of the artwork can also be achieved through investigation at the molecular level of the degradation mechanisms induced by natural ageing, environmental factors or either by inappropriate conservation/restoration treatments. Firstly, the PhD was dedicated to the development of proteomic bottom-up and top-down strategies using mass spectrometry for the study of proteins at trace levels from historical and artistic objects. The potentialities of a combination of these two complementary approaches were highlighted in the study of Gainsborough’s drawings, where the presence of milk-based fixatives was revealed with samples collected with minimally invasive techniques. Information achieved with the peptidic analysis, such as the specific breed origin of the detected proteins and their modifications, were enriched through top-down analysis with the detection of highly modified proteoforms characterised by multiple cleavage patterns. Secondly, the PhD study aimed to achieve a better insight into the proteins’ structural and conformational alterations in an artwork. A strategy based on the elaboration of data from the bottom-up analysis was optimised to investigate the protein networks formations through the localisation and characterisation of cross-linked peptidic pairs. The methodology was initially tested on mock-ups of paintings (formulated with lysozyme mixed with lead white pigment) which were treated with oxidising agents and naturally aged. The detection of different reticulated products led to defining various molecular patterns characteristic of oxidative-based cross-links in the lysozyme protein which subsequently were detected in more complex samples from historical tempera paintings. The cross-linking examination, combined with an unbiased modification search, also was effective for a more exhaustive understanding of the biological composition and conservation history of a Coptic manuscript subjected to ancient invasive restoration treatment. The detection of a great extent of lysine methylations and especially the characteristic fragmentation markers of formaldehyde-based cross-links provided the first analytical evidence of a potential parchment consolidation treatment based on gelatin-formol used by the Vatican library during restoration. The developed approach also offered a more accurate protein identification detecting peptides that passed unnoticed in the classical strategy because they were chemically modified or structurally unreachable. Finally, the action of some of the most common inorganic pigments on proteins molecular and structural changes was also investigated. Particularly, the role of these inorganic compounds in proteins conformational changes was investigated for the first time through Hydrogen/Deuterium exchange (HDX) studies via mass spectrometry (intact protein approach). The decrease of deuterium exchange observed for certain mixtures suggested the interposition of the pigment in the protein solvent accessibility, or/and the modification of the molecular conformation.
Les protéines présentes dans les objets du patrimoine culturel constituent une source d’information essentielle. Leur détection et leur caractérisation peuvent fournir une compréhension précise de la technique et des formulations de l’artiste. Un aperçu plus approfondi de l'état de conservation et de l'histoire de l'œuvre d'art peut également être obtenu grâce à l'étude au niveau moléculaire des mécanismes de dégradation induits par le vieillissement naturel, les facteurs environnementaux ou soit par des traitements de conservation / restauration inappropriés. En premier lieu, le doctorat était dédié au développement de stratégies protéomiques bottom-up et top-down utilisant la spectrométrie de masse pour l'étude des protéines à l'état de traces à partir d'objets historiques et artistiques. Les potentialités d'une combinaison de ces deux approches complémentaires ont été mises en évidence dans l'étude des œuvres de Thomas Gainsborough, où la présence de fixateurs à base de lait a été révélée avec des échantillons prélevés avec des techniques minimalement invasives. Les informations obtenues par l'analyse peptidique, telles que l'origine biologique des protéines détectées et leurs modifications, ont été enrichies par une analyse top-down avec la détection de protéoformes hautement modifiées caractérisées par des motifs de clivage multiples. Ensuite, le projet visait à mieux comprendre les modifications structurales et conformationnelles des protéines dans une œuvre d’art. Une stratégie d'analyse bottom-up visant à étudier les réseaux protéiques a été mise au point, intégrant en particulier la localisation et la caractérisation de paires peptidiques réticulées. La méthodologie a été initialement testée sur des peintures modèles (formulées avec du lysozyme mélangé à un pigment blanc de plomb) traitées avec des agents oxydants ou vieillies naturellement. L’étude de différents produits réticulés du lysozyme a conduit à définir des modèles moléculaires caractéristiques du stress oxydants. Ceux-ci ont ensuite été détectées dans des échantillons plus complexes de peintures tempera historiques. L'examen des réticulations protéiques a également permis d’obtenir de nouvelles informations sur la composition biologique et la conservation d'un manuscrit Copte ayant été soumis à un ancien traitement de restauration invasif. La détection importante de méthylation des lysines et des marqueurs de fragmentations caractéristiques des réticulations à base de formaldéhyde, a fourni la première preuve analytique d'un traitement potentiel de consolidation du parchemin à base de gélatine-formol utilisé par la bibliothèque du Vatican pendant la restauration. L'approche développée a également offert une identification plus précise des protéines en détectant les peptides non identifiés par la stratégie classique car modifiés chimiquement ou structurellement inaccessibles. Enfin, l'action de certains pigments inorganiques courants sur les changements moléculaires et structuraux des protéines a également été étudiée. En particulier, le rôle de ces composés inorganiques dans les changements de conformation des protéines a été examiné pour la première fois par des études d'échange hydrogène / deutérium (HDX) par spectrométrie de masse (approche de protéine intacte). La diminution de l'échange de deutérium observée pour certains mélanges suggère l'interposition du pigment dans l'accessibilité aux solvants protéiques, ou / et la modification de la conformation moléculaire.
Origine : Version validée par le jury (STAR)