L’anàlisi de la petjada peptídica del col·lagen mitjançant espectrometria de masses (ZooMS) per a la identificació taxonòmica de fauna arqueològica: desenvolupament i reptes actuals

Collagen peptide fingerprint analysis using mass spectrometry (ZooMS) for taxonomic identification in archaeological fauna: development and current challenges

Aurora Grandal-D'Anglade (ES) ORCiD

PYRENAE, vol. 55 núm. 1 (01.2024) (p. 7-45)

DOI: 10.1344/Pyrenae2024.vol55num1.1

El colágeno es una proteína que forma fibras que proporcionan elasticidad y resistencia al hueso. Protegido por la fracción mineral del hueso, el colágeno puede permanecer prácticamente inalterado durante miles de años en los huesos fósiles. Como todas las proteínas, está formado por secuencias de aminoácidos en un orden concreto dictado por el ADN de cada organismo. Esta característica permite identificar la especie a la que pertenece un resto óseo mediante el análisis de huella peptídica, que en esta aplicación se conoce como zooarqueología mediante Espectrometría de Masas o ZooMS. Para ello es necesario extraer el colágeno del hueso y comprobar, mediante ciertos parámetros, su buena preservación. A continuación, se digiere con una enzima que rompe la molécula por sitios específicos, para obtener mediante espectrometría de masas un espectro de fragmentos o péptidos de peso molecular variado. Dada la secuencia de aminoácidos altamente conservada del colágeno, la mayoría de los péptidos obtenidos por digestión tríptica son idénticos en todos los taxones, pero algunos difieren y por lo tanto son útiles en taxonomía. La identificación se basa en la comparación de la presencia/ausencia de ciertos péptidos marcadores con bases de datos ya disponibles. La aplicación del ZooMS a la identificación de restos antiguos comenzó a principios del siglo XXI y aún está en fase de desarrollo. Los avances de esta técnica permiten identificar fragmentos óseos de mamíferos y otros vertebrados, en muchos casos hasta el rango de género. Sin embargo, en determinados taxones no es posible hasta ahora diferenciar géneros dentro de una misma familia. Actualmente se trabaja en ampliar el número de taxones bien caracterizados, mejorar la definición de los péptidos para los diversos grupos taxonómicos y homogeneizar el tratamiento técnico y las bases de datos. En este trabajo presentamos como ejemplo la identificación de cinco fragmentos de hueso del Pleistoceno Superior de Cova Eirós (Lugo, Galicia) y comentamos las aplicaciones, las limitaciones y los avances de esta nueva técnica zooarqueológica.

PALABRAS CLAVE: COLÁGENO, HUESOS FÓSILES, ZOOARQUEOLOGÍA, ESPECTROMETRÍA DE MASAS, ANÁLISIS DE HUELLAS PEPTÍDICAS, TAXONOMÍA, DESARROLLO DE ZOOMS

El col·lagen és una proteïna que forma fibres que proporcionen elasticitat i resistència als ossos. Protegit per la fracció mineral de l’os, el col·lagen pot romandre pràcticament inalterat durant milers d’anys en els ossos fòssils. Com tota proteïna, està formada per seqüències d’aminoàcids en un ordre determinat per l’ADN de cada organisme. Aquesta característica permet identificar les espècies a la que pertany una resta òssia mitjançant l’anàlisi de la petjada peptídica, que en aquesta aplicació es coneix com zooarqueologia mitjançant Espectrometria de Masses o ZooMS. És necessari extreure el col·lagen de l’os i comprovar, mitjançant diversos paràmetres, la seva bona preservació. Després, es digereix amb un enzim que trenca la molècula per llocs específic, per tal d’obtenir amb l’espectrometria de masses un espectre de fragments o pèptids de pes molecular divers. Donada la seqüència d’aminoàcids altament conservada del col·lagen, la majoria dels pèptids obtinguts per digestió tríptica són idèntics en tots els taxons, tot i que alguns difereixen i, per tant, són útils en taxonomia. La identificació es basa en la comparació de la presència/absència de determinats marcadors pèptids amb bases de dades ja disponibles. L’aplicació del ZooMS en la identificació de restes antigues va iniciar-se a començaments del segle XXI i encara està en fase de desenvolupament. Els avenços d’aquesta tècnica permeten identificar ossos de mamífer i d’altres vertebrats, en alguns casos fins a nivell de gènere. No obstant això, en determinats taxons no és possible, fins ara, diferenciar gèneres dins de la mateixa família. Actualment es treballa en l’ampliació del nombre de taxons ben caracteritzats, millorar la definició dels pèptids per als diferents grups taxonòmics i homogeneïtzar el tractament tècnic i les bases de dades. En aquest treball presentem com a exemple la identificació de cinc fragments ossis del Plistocè superior de Cova Eirós (Lugo, Galicia) i comentem les aplicacions, les limitacions i els avenços d’aquesta nova tècnica zooarqueològica.

PARAULES CLAU: COL·LAGEN, OSSOS FÒSSILS, ZOOARQUEOLOGIA, ESPECTROMETRIA DE MASSES, ANÀLISI DE PETJA PEPTÍDICA, TAXONOMIA, DESENVOLUPAMENT DE ZOOMS

Collagen is a protein that forms fibres that give elasticity and strength to bone. Protected by the mineral fraction of bone, collagen can remain virtually unchanged in fossil bones for thousands of years. Like all proteins, it is made up of amino acid sequences in a specific order dictated by the DNA of each organism. This property makes it possible to identify the species to which a bone fragment belongs using peptide fingerprint analysis, known in this application as zooarchaeology by mass spectrometry or ZooMS. This involves extracting the collagen from the bone and using certain parameters to check whether it is well preserved. It is then digested with an enzyme that splits the molecule at certain points to obtain a spectrum of fragments or peptides with different molecular weights by mass spectrometry. Given the highly conserved amino acid sequence of collagen, most of the peptides obtained by tryptic digestion are identical in all taxa, but some differ and are therefore useful for taxonomy. Identification is based on comparing the presence/absence of certain marker peptides with already available databases. The application of ZooMS for the identification of ancient remains started at the beginning of the 21st century and is still under development. Advances in the development of this technique allow the identification of bone fragments from mammals and other vertebrates, in many cases down to the genus level. However, for certain taxa it is not yet possible to distinguish genera within the same family. Work is currently underway to expand the number of well-characterised taxa, improve the definition of peptides for the different taxonomic groups, and standardise technical processing and databases. In this paper, we present as an example the identification of five Upper Pleistocene bone fragments from Cova Eirós (Lugo, Galicia) and discuss the applications, limitations and progress of this new zooarchaeological technique.

KEYWORDS: COLLAGEN, FOSSIL BONES, ZOOARCHAEOLOGY, MASS SPECTROMETRY, PEPTIDE FINGERPRINT ANALYSIS, TAXONOMY, ZOOMS DEVELOPMENT