Proteomic approaches for archaeology and cultural heritage: characterising fossil proteins preserved in biominerals (mollusc shells)

Soutenue le 22 janvier 2021

Financement : université de Turin

Encadrants : Frédéric Marin & Beatrice Demarchi (Unito)

Début de thèse : novembre 2017

Résumé

Les coquilles de mollusques ont très souvent été employées par les populations préhistoriques, comme source de matière première, à la confection d’ornements vestimentaires ou de parures. Ces objets, largement transformés, constituent un témoignage inestimable pour comprendre les cultures passées et la façon dont des populations disparues ont exploité leur environnement naturel. Abondamment retrouvés dans les sites archéologiques, les restes coquilliers sont le plus souvent minuscules, modifiés ou bien retrouvés à l’état de fragments, à un point tel qu’il est impossible de leur assigner une appartenance taxonomique. Depuis quelques années, les approches protéomiques, basées sur la sensibilité des techniques de spectrométrie de masse, ont été utilisées pour l’étude de restes bio-archéologiques, ouvrant ainsi un champ disciplinaire nouveau, la paléoprotéomique. Alors que la protéomique est classiquement employée sur des coquilles modernes pour en comprendre les mécanismes moléculaires de biominéralisation, la paléoprotéomique de fragments de coquilles archéologiques n’a jamais été réalisée jusqu’à présent, pour plusieurs raisons: faibles quantités d’échantillons (et, par conséquent, de protéines), données de séquences très parcellaires sur les protéines coquillières de mollusques. Ce travail de thèse représente donc la première tentative d’analyse des protéines coquillières d’échantillons archéologiques par une approche protéomique, telle que réalisée dans le domaine de la biominéralisation. Trois concepts-clés sont mis en exergue :

– les protéines de coquille contiennent de l’information taxonomique,
– elles peuvent être préservées à des échelles de temps archéologiques,
– elles peuvent être utilisées comme « code-barre » moléculaire pour identifier les taxons dont sont issus les restes archéologiques.

En premier lieu, l’approche protéomique (HPLC-MS/MS) a été testée sur la coquille d’un bivalve-modèle, Spondylus gaederopus, pour en caractériser son contenu protéique. Nos données indiquent que le répertoire protéique coquillier de cette espèce diffère de celui de formes voisines et comprend des séquences « taxon spécifiques ».

En second lieu, des « empreintes de masse peptidique » (PMF en anglais) par MALDI-TOF ont été réalisées sur les coquilles récentes de 34 espèces de mollusques, couvrant un large spectre de taxons trouvés sur des sites archéologiques. Les spectres PMF obtenus ont une signature particulière, contiennent une information taxonomique, un « code-barre », applicable à des échantillons archéologiques.

En troisième lieu, des expériences de vieillissement accéléré ont simulé la diagenèse de coquilles de Spondylus. La stabilité des protéines coquillières a été étudiée en combinant immunochimie et protéomique quantitative. Les données démontrent que Spondylus est un bon modèle, favorable à la préservation des protéines de coquilles. Certains processus chimiques de clivage peptidique ont pu être analysés finement. Les patrons de dégradation des protéines sont cependant complexes, une complexité non prédite par les modèles théoriques.

Enfin, des ornements archéologiques, provenant de divers sites européens mésolithiques et néolithiques ont été étudiés par protéomique couplée à des analyses microstructurales et géochimiques. La réalisation d’empreintes de masse peptidique (PMF) n’a pas permis de lever le voile sur l’identité taxonomique des échantillons, sans doute du fait des très faibles quantités de protéines restantes, ces échantillons requérant des analyses plus complètes par HPLC-MS/MS. Par contre, les données obtenues sur de minuscules boutons-doubles ont clairement montré que ces derniers ont été fabriqués à partir de nacre de moules d’eau douce (unionidés) largement réparties en Europe. Ces résultats novateurs mettent fin à une controverse sur l’appartenance taxonomique des mollusques ayant servi à fabriquer ces boutons ainsi que sur leur provenance géographique, jusque-là, supposée lointaine.

Pour résumer, la recherche entreprise dans le cadre de cette thèse dévoile l’immense potentiel des approches protéomiques appliquées aux échantillons archéologiques et paléontologiques.

Composition du jury

extrait:

lien_externe:

titre:

Approches protéomiques en archéologie et héritage culturel : caractérisation de protéines anciennes préservées dans des coquilles de mollusques

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novembre 2017

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Proteomic approaches for archaeology and cultural heritage: characterising fossil proteins preserved in biominerals (mollusc shells)

 

Soutenue le 22 janvier 2021

Financement : université de Turin

Encadrants : Frédéric Marin & Beatrice Demarchi (Unito)

Début de thèse : novembre 2017

 

Résumé

Les coquilles de mollusques ont très souvent été employées par les populations préhistoriques, comme source de matière première, à la confection d'ornements vestimentaires ou de parures. Ces objets, largement transformés, constituent un témoignage inestimable pour comprendre les cultures passées et la façon dont des populations disparues ont exploité leur environnement naturel. Abondamment retrouvés dans les sites archéologiques, les restes coquilliers sont le plus souvent minuscules, modifiés ou bien retrouvés à l'état de fragments, à un point tel qu'il est impossible de leur assigner une appartenance taxonomique. Depuis quelques années, les approches protéomiques, basées sur la sensibilité des techniques de spectrométrie de masse, ont été utilisées pour l'étude de restes bio-archéologiques, ouvrant ainsi un champ disciplinaire nouveau, la paléoprotéomique. Alors que la protéomique est classiquement employée sur des coquilles modernes pour en comprendre les mécanismes moléculaires de biominéralisation, la paléoprotéomique de fragments de coquilles archéologiques n'a jamais été réalisée jusqu'à présent, pour plusieurs raisons: faibles quantités d'échantillons (et, par conséquent, de protéines), données de séquences très parcellaires sur les protéines coquillières de mollusques. Ce travail de thèse représente donc la première tentative d'analyse des protéines coquillières d'échantillons archéologiques par une approche protéomique, telle que réalisée dans le domaine de la biominéralisation. Trois concepts-clés sont mis en exergue :

- les protéines de coquille contiennent de l'information taxonomique,
- elles peuvent être préservées à des échelles de temps archéologiques,
- elles peuvent être utilisées comme "code-barre" moléculaire pour identifier les taxons dont sont issus les restes archéologiques.

En premier lieu, l'approche protéomique (HPLC-MS/MS) a été testée sur la coquille d'un bivalve-modèle, Spondylus gaederopus, pour en caractériser son contenu protéique. Nos données indiquent que le répertoire protéique coquillier de cette espèce diffère de celui de formes voisines et comprend des séquences "taxon spécifiques".

En second lieu, des "empreintes de masse peptidique" (PMF en anglais) par MALDI-TOF ont été réalisées sur les coquilles récentes de 34 espèces de mollusques, couvrant un large spectre de taxons trouvés sur des sites archéologiques. Les spectres PMF obtenus ont une signature particulière, contiennent une information taxonomique, un "code-barre", applicable à des échantillons archéologiques.

En troisième lieu, des expériences de vieillissement accéléré ont simulé la diagenèse de coquilles de Spondylus. La stabilité des protéines coquillières a été étudiée en combinant immunochimie et protéomique quantitative. Les données démontrent que Spondylus est un bon modèle, favorable à la préservation des protéines de coquilles. Certains processus chimiques de clivage peptidique ont pu être analysés finement. Les patrons de dégradation des protéines sont cependant complexes, une complexité non prédite par les modèles théoriques.

Enfin, des ornements archéologiques, provenant de divers sites européens mésolithiques et néolithiques ont été étudiés par protéomique couplée à des analyses microstructurales et géochimiques. La réalisation d'empreintes de masse peptidique (PMF) n'a pas permis de lever le voile sur l'identité taxonomique des échantillons, sans doute du fait des très faibles quantités de protéines restantes, ces échantillons requérant des analyses plus complètes par HPLC-MS/MS. Par contre, les données obtenues sur de minuscules boutons-doubles ont clairement montré que ces derniers ont été fabriqués à partir de nacre de moules d'eau douce (unionidés) largement réparties en Europe. Ces résultats novateurs mettent fin à une controverse sur l'appartenance taxonomique des mollusques ayant servi à fabriquer ces boutons ainsi que sur leur provenance géographique, jusque-là, supposée lointaine.

Pour résumer, la recherche entreprise dans le cadre de cette thèse dévoile l'immense potentiel des approches protéomiques appliquées aux échantillons archéologiques et paléontologiques.

 

Composition du jury

Daniel JACKSON, Professor, Dpt. Geobiology, Georg-August Universität Göttingen (Germany) - rapporteur
Jane THOMAS-OATES, Professor, Dpt. of Chemistry, University of York (UK) - rapporteur

Ursula THUN-HOHENSTEIN, Associate Professor, Dpt. of Humanities, University of Ferrara (Italy) - examinatrice

Philippe GANOT, Chargé de Recherche, Dpt. de Biologie Marine, Centre Scientifique de Monaco (Monaco) - examinateur

Béatrice DEMARCHI, Associate Professor, Dpt. of Life SCiences & Systems biology, University of Turin (Italy) - directrice de thèse

Frédéric MARIN, Directeur de Recherche CNRS, Biogéosciences, université de Bourgogne-Franche-Comté - directeur de thèse

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Proteomic approaches for archaeology and cultural heritage: characterising fossil proteins preserved in biominerals (mollusc shells)

date_de_debut_these:

novembre 2017

nom:

Sakalauskaite

date_de_debut_these_numerique:

201711

date_de_soutenance_these:

22 janvier 2021

date_de_fin_these_numerique:

20210122