Aptamere in hidrodinamska kavitacija, orodje za analizo organskih ostankov v arheološki keramiki

Keramika in arheološka lončenina sta med najštevilčnejšimi predmeti, ki jih najdemo pri izkopavanjih in odsevajo različne vrste kulinarik in načine kuhanja v zadnjih 10 000 letih. Razkrivajo kulturne okoliščine jedi, ki so bile v njih pripravljene in razkrivajo podatke o človeški prehrani in družbenih in ekonomskih pogojih v danem kontekstu.

Osnovni podatki

Naslov: Aptamere in hidrodinamska kavitacija, dostopno orodje za analizo organskih ostankov v arheološki keramiki
Trajanje: 36 mesecev (1.10. 2021 – 1. 9. 2024)
Šifra: J7-3147
Vodilni partner: ZVKDS
Vodja projekta: dr. Janez Kosel
Finančni vir: Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije

Povzetek

Keramika in arheološka lončenina sta med najštevilčnejšimi predmeti, ki jih najdemo pri izkopavanjih in odsevajo različne vrste kulinarik in načine kuhanja v zadnjih 10 000 letih. Razkrivajo kulturne okoliščine jedi, ki so bile v njih pripravljene in razkrivajo podatke o človeški prehrani in družbenih in ekonomskih pogojih v danem kontekstu. Neglede nato pa primerjave posameznih vrst posod še ne vodijo k identifikaciji različnih vrst hrane kar pogosto pripelje do napačnih sklepanj. Ker so ti predmeti zelo pogoste najdbe, se večinoma shranjujejo na neprimeren način, kar pogosto privede do mikrobiološke degradacije organskih ostankov znotraj keramične porozne strukture. Če torej v bližnji prihodnosti raziskovalne metodologije ne bodo postale bolj cenovno dostopne in učinkovitejše pri analizi arheoloških organskih ostankov, bodo možnosti za razkritje evropske kulinarične zgodovine postale vedno bolj omejene. Keramično vezani proteinski delci v organskih ostankih se ne razgradijo tako hitro kot molekula DNA a še vedno nosijo molekularne informacije (kodirane znotraj aminokislin), ki opisujejo ne samo tip proteina ampak tudi njegov živalski izvor, iz česar lahko določimo samo vrsto hrane. Neglede nato pa sedanje metode ekstrakcije, ki so osnovane na ultrazvočni kavitaciji, niso učinkovite in uporabljena topila pogosto spremenijo končno interpretacijo rezultatov pridobljenih z GC-MS analizo. Ko pa se poslužujemo bolj cenovno dostopnih imunoloških metod, kot je encimska imunoadsorpcijska preiskava (ELISA), so te odvisne od protiteles, kar ima za posledico mnoge slabosti vključno z navzkrižno reaktivnostjo protiteles in njihovo hitro denaturacijo. Naš nov pristop bo obšel ovire sedanjih metod, in sicer tako da bo povezal proces ekstrakcije proteinov znotraj učinkovitega miniaturnega hidrodinamskega kavitacijskega generatorja z cenovno dostopno encimsko adptamer-adsorpcijsko analizo (ELASA), ki namesto protiteles uporablja zelo specifične, stabilne in zanesljive aptamere. Ta prelomni raziskovalni napredek ne zahteva drage merilne opreme in bo omogočil manjšim institucijam izvajanje zanesljive identifikacije organskih ostankov v arheoloških keramičnih fragmentih. Naš pristop bomo uporabili pri interpretaciji kulinaričnih praks zgodnjesrednjeveških prebivalcev mesta Ptuj, da bi preverili domnevo ali se je specifične oblike lončenine uporabljalo za specifične vrste hrane. Poleg razkrivanja kulinarične zgodovine Slovenije, bo naša raziskava okrepila znanstvene temelje za sonaravno upravljanje z viri (United Nations, cilj 17, Področje znanosti, poglavje 35 skozi agendo 21 – izboljšano sodelovanje med naravoslovci in družboslovci) in bo pomenila prispevek k novim interdisciplinarnim raziskavam družbenih in naravoslovnih znanosti, saj bo preskrbela najnovejša raziskovalna orodja in strokovne storitve (cilja 1 in 3 Evropske Raziskovalne Infrastrukture za Dediščinske Znanosti, ERHIS). Predlagane napredne karakterizacijske tehnike bodo lahko uporabljene tudi v medicini, diagnostiki in forenzični znanosti kot tudi pri zagotavljanju kakovosti v prehrambeni industriji.

Cilji

Cilj raziskave je pridobiti podrobno in vsestransko rekonstrukcijo starodavnega družbenega življenja zgodnjih slovanskih prebivalcev v mestu Ptuj, vključno z njihovim gospodarstvom, politiko in ideologijo. Bolj konkreten cilj pa je uvesti nov raziskovalni model, ki bo združeval sistematično gradnjo inventarne podatkovne baze z najnovejšo biokemijsko analizo na keramiko vezanih proteinov. Končni rezultat bo razvoj ELASA analize, ki bo neodvisna od drage merilne opreme in bo lahko cenovno dostopna manjšim muzejem in depojem.

Podrobni cilji

• Sistematična arheološka, antropološka in materialna kontekstualizacija celotne zbirke zgodnjesrednjeveških keramičnih oblik z grajskega griča na Ptuju, ki pripada zgodnjim slovanskim naseljencem. Ta inventarna podatkovna baza bo služila kot podpora biokemijski karakterizaciji keramično vezanih starodavnih (iz Ptuja) in bo v pomoč pri interpretaciji kulinaričnih jedi in bo obrazložila zakaj pridaja do transformaciji v proteinih (zaradi kuhanja in konzerviranja hrane, zaradi mikrobiološke kontaminacije, staranja) (DS4).
• Optimizacija metod ekstrakcije proteinov z uporabo učinkovitega hidrodinamskega kavitatorja (DS2)
• Razumevanje glavnih mehanizmov, ki pogojujejo ohranitev keramično vezanih arheoloških proteinov in glavnih procesov proteinske solidifikacije, transformacije in delnega razkroja. Njihova transformacija in razkroj bosta analizirana z uporabo najnovejših metod proteomike in vibracijskih spektroskopskih metod (DS3).
• Določiti vrste hrane, jedi, kulinaričnih praks zgodnjesrednjeveških prebivalcev Ptuja in na osnovi družbene vloge hrane opisati gospodarsko, politično, etnično, ideološko in versko strukturo družbe. To bomo dosegli s hkratno uporabo podatkov iz inventarne podatkovne baze in z uporabo ugotovitev pridobljenih pri proteomski in vibracijski karakterizaciji keramično vezanih proteinov (študijski primerki s Ptuja). To bo v bodoče omogočilo postavljanje korelacij med specifičnimi ostanki hrane in različnimi oblikami in velikostmi lončenine in bo omogočilo interpretacijo jedi pri bodočih arheoloških najdbah (DS4).
• Razvoj dostopne, specifične in učinkovite analizne metode ELASA, specifične za prevladujoče arheološke proteinske tarče prisotne v keramičnih fragmentih najdenih na Ptuju (DS5).

Delovni sklopi in časovna izvedba

• Delovani sklop 1: Koordinacija, upravljanje projekta in diseminacija
• Naloga 1.1 Koordiniranje, upravljanje in poročanje o projektu
• Naloga 1.2 Diseminacija rezultatov v znanstvenih in strokovnih revijah in konferencah
• Delovani sklop 2: Optimizacija ekstrakcije proteinov iz kompleksov keramike
• Naloga 2.1 Optimizacija protokola za ekstrakcijo proteinov
• Naloga 2.2 Validacija ekstrakcije proteinov
• Delovani sklop 3: Razumevanje temeljnega procesa strjevanja beljakovin, transformacije in delne razgradnje
• Naloga 3.1 Dolgotrajna izpostavljenost modelnih vzorcev dejanskim okoljskim vplivom za indukcijo transformacije in delne razgradnje proteinov
• Naloga 3.2 Karakterizacija transformacij proteinov tekom staranja
• Naloga 3.3 Karakterizacija delne razgradnje proteinov tekom staranja
• Delovani sklop 4: Identifikacija in karakterizacija arheoloških proteinov v študijskih primerkih in socio-ekonomska kontekstualizacija te arheološke najdbe
• Naloga 4.1 Izdelava inventarne baze podatkov in analiza keramičnega materiala
• Naloga 4.2 Identifikacija arheoloških proteinov
• Naloga 4.3 Karakterizacija transformacij arheoloških proteinov
• Naloga 4.4 Selekcija tarčnih arheoloških proteinov
• Naloga 4.5 Interpretacija jedi zgodnjesrednjeveških slovanskih prebivalcev Ptuja in njihove socialno-ekonomske strukture
• Delovani sklop 5: Razvoj aptamer za cenovno ugoden in učinkovit ELASA test
• Naloga 5.1 Zasnova testa ELASA
• Naloga 5.2 Validacija testa ELASA