Développements méthodologiques en spectrométrie de masse haute résolution pour l'analyse protéomique structurale et la localisation moléculaire : application aux échantillons du patrimoine culturel

Development of High Resolution Mass Spectrometry Techniques for Structural Analysis and Molecular Mapping of Cultural Heritage samples

• Auteur / Autrice : Vaclav Krupicka
• Direction : Caroline Tokarski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Analytique et Environnementale
• Date : Soutenance le 03/07/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie et Biologie des Membranes et des Nanoobjets (Bordeaux ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Rémy Chapoulie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Facundo M. Fernandez, Julie Arslanoglu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Joëlle Vinh, Ilaria Bonaduce

Mots clés

Mots clés contrôlés

Patrimoine culturel

Protéomique

Spectrométrie de masse

Mots clés libres

Spectrométrie de masse

Protéomique top-down

Patrimoine culturel

Imagerie par spectrométrie de masse

Peintures

High resolution mass spectrometry

Structural proteomics

Top-Down proteomics

Mass spectrometry imaging

Cultural heritage

Supervised machine learning

Résumé

Ce travail de thèse propose le développement de nouvelles méthodologies en spectrométrie de masse (MS) haute résolution appliquées aux échantillons du Patrimoine Culturel (CH). En particulier, les développements se concentrent sur l’analyse protéomique top-down (TD) et l’imagerie par spectrométrie de masse MALDI (MSI), nous permettant de proposer respectivement des alternatives à l’analyse protéomique bottom-up (BU), et d’obtenir une cartographie précise des composés organiques et inorganiques des échantillons étudiés. Le premier chapitre contextualise la MS dans le domaine du patrimoine culturel, en soulignant l’apport de la protéomique TD et le potentiel de la MSI MALDI. Nos développements en protéomique TD pour l’analyse des protéines intactes sont ensuite illustrés dans le chapitre 2, révélant les défis spécifiques à ce type d’analyse, et en particulier ceux en lien avec l’importante hétérogénéité des protéines dans les modèles de peinture à base d’œuf, incluant les protéoformes glyquées. Dans le chapitre 3, nous introduisons une approche intégrée combinant l’analyse protéomique TD et la mobilité ionique pour étudier les changements structuraux lors de la formulation, du séchage et du vieillissement de peinture à base de caséine, mettant en évidence de nouvelles informations sur les structures protéiques et notamment leurs altérations. Le chapitre 4 propose une étude originale de l’imagerie par spectrométrie de masse MALDI appliquée à l’étude de peintures modernes. Nous proposons ainsi l’optimisation de chacune des étapes de la préparation des échantillons, à l’analyse et au traitement de données. Lors de ce travail, nous avons également développé une banque de données originale de pigments et colorants organiques. Notre méthodologie appliquée avec succès à l’étude d’une peinture d’une artiste locale détaille la structure et la composition des différentes couches de l’œuvre complexe étudiée. Compte tenu des limitations en MSI pour l’analyse des macromolécules telles que les protéines, le chapitre 5 s’intéresse à l’étude de différents liants couramment utilisés dans les œuvres historiques. En particulier, ce chapitre intègre le développement d’un nouvel outil de traitement de données, MSipredictART, permettant l’attribution pixel par pixel de la composition des liants mais aussi des pigments à partir des données MSI MALDI. Une visualisation alternative des données est également proposée par l’utilisation de KMD - Kendricks mass defect. Finalement, nous avons appliqué notre méthodologie avec succès à un échantillon historique provenant d’une œuvre de Jose Sanchez (ca. 1690) provenant de la collection du Metropolitan Museum of Art, New York, et, démontrant pour la première fois, l’apport de la technique MALDI-MSI à l’étude d’une peinture d’art.

Aim of this theses is to develop new high resolution mass spectrometry (MS) ap­proaches for Cultural Heritage (CH) studies by adapting techniques used in biomedical fields. As question regarding structural changes occurring at molecular level and precise mapping of organic and inorganic components of paints become more common, new ap­proaches have to be developed in order to fully answer them. In particular we decided to focus on top-down (TD) proteomics as an alternative to bottom-up (BU) proteomics now commonly used in cultural heritage studies and mass spectrometry imaging (MSI), which combines high chemical specificity of mass spectrometry with spatial mapping capabilities.In chapter 1 we provide the background information on the state of MS in cultural heritage as well as current development in other fields. We highlight how the new cutting-edge approaches developed for biomedical research can be translated to answering outstanding questions in cultural heritage research. In particular we focus on the advances achieved using TD proteomics in providing comprehensive view of proteoforms associated with varied protein functions such as indicators of pathologies and potentially changes in CH objects. We also introduce MSI, whose potential in cultural heritage studies is yet to be explored. We primarily focus on Matrix assisted laser desorption/ionisation (MALDI) MSI which has been previously used to study wide range of molecular species (lipids, peptides, metabolites...) in biological systems.In chapter 2 we present an optimised workflow for comprehensive analysis of protein extracted from paint models using TD proteomics. We discuss the challenges associated with performing TD proteomic studies in cultural heritage including proteins solubility, ac­quisition optimisation, as well as data analysis limitations. We apply our optimised work­ flow to a set of egg glair paint models to highlight the increase in protein heterogeneity in paints as well as identifying presence of glycated proteoforms of egg white lysozyme.In chapter 3 we implemented an integrated mass spectrometric approach combining TD proteomics and ion mobility mass spectrometry to study the structural changes occur­ring during casein paint formation. Using ion mobility mass spectrometry we examined the higher order structure changes in caseins from chemical standards to casein paint. Integrating this information with proteoforms identified using TD proteomics gave initial insight into the changes occurring to casein proteins during paint formation.In chapter 4 we perform the first application of MALDI-MSI for comprehensive map­ping of organic species in modern paintings. We discuss the optimisation of sample prepa­ration required to make paint cross-sections compatible with MALDI-MSI and to minimise distortions during sectioning. We highlight the limitations of classical data analysis tools when analysing paint cross-section and so we introduce a custom pigment and dye database to streamline data analysis. We apply our workflow to a section obtained from modern painting by local artist showcasing how MALDI-MSI can provide new information on paint layer composition as well as the materials used.In chapter 5 we study the composition of paint layers prepared using inorganic pig­ ments mixed with organic binders. Understanding the limitations of available methods in MSI for analysis of biological compounds such as proteins we developed a machine learning workflow, MSipredictART, based on Least Absolute Shrinkage and Selection Op­ erator (LASSO). This method allows for pixel-to-pixel assignment of binder and pigment composition from a single MALDI-MSI acquisition. KMD is used to further to visualise MALDI-MSI datasets to study the inorganic pigment composition. Finally we applied MSipredictART to historical sample obtained from ca. 1690 painting by Jose Sanchez, demonstrating first application of MALDI-MSI to a historical sample.