La chimie au service de l’art

Comprendre comment travaillaient des grands maîtres en peinture tels que Modigliani ou de Vinci, déterminer l’impact du traitement de restauration d’une œuvre d’art, savoir comment la conserver ou encore connaître son origine… c’est là tout le travail de Caroline Tokarski. Mais cette dernière n’est pas historienne et encore moins conservatrice de musée. Elle est professeure à l’université de Bordeaux et chimiste au laboratoire Chimie et biologie des membranes et des nano-objets (CBMN – Bordeaux INP, CNRS et université de Bordeaux). Son outil au quotidien avec son équipe de recherche : un spectromètre de masse à haute résolution. Leurs objets d’étude de prédilection : les protéines, les lipides, les sucres (ou polysaccharides).

Dirigeant la plateforme Protéome au sein du département de recherche Sciences et technologies pour la santé (STS) de l’université, et pionnière dans le domaine, la chercheuse développe depuis 20 ans des méthodes originales d’analyse protéomique - permettant d’identifier l’ensembles des protéines d’un échantillon – appliqué notamment au domaine particulier des objets du patrimoine culturel (œuvres ou ossements).

Reconstituer les briques

En quoi cette méthode constitue-t-elle un réel progrès ? Parce que jusqu’à récemment, les méthodes d’analyse permettaient de connaître les bases constituantes des protéines, les acides aminés, sans savoir comment elles étaient agencées. C’est un peu comme si on avait un amas d’un millier de bloc de pierres devant nous sans comprendre si toutes ces pierres avaient servi à construire au préalable un château… ou bien une pyramide !

L’instrument qui permet de résoudre ces questions mesure des masses qui peuvent renseigner sur la composition chimique, l’état physique ou l’agencement des molécules est le spectromètre de masse haute résolution. Grâce à ses analyses, l’équipe de Caroline Tokarski a pu identifier, par exemple, que le jaune et/ou blanc d’œuf, le lait, des huiles ou des colles animales avaient pu être utilisés par les peintres pour lier les pigments de couleur.

« Les protéines sont enfermées dans des matrices très complexes, modifiées par le temps et peuvent être soumises à des stress environnementaux, tels que la température ou l’humidité. Il faut d’abord parvenir à extraire ces protéines pour ensuite en tirer des informations de structure. C’est toujours un challenge » explique-t-elle. Travailler avec les œuvres d’art requiert un échantillonnage le plus réduit possible. Impensable de découper un morceau du tableau de la Cène de Léonard de Vinci, qui est l’objet d’un projet de recherche européen, pour en comprendre sa composition ! Les échantillons prélevés sur les œuvres de musées avec lesquels elle collabore sont donc de tailles et de quantités très limitées.

L’échantillon est même devenu invisible à l’œil nu dans le cadre d’une étude publiée récemment dans la revue internationale Science Advances et valorisée par Nature. Il est prélevé à l’aide d’un film abrasif, raconte Caroline Tokarski.
Dans cet exemple, c’est l’ivoire qui est au cœur de la recherche, celui utilisé pour la fabrication des objets conservés au Metropolitan Museum of Art (MET) de New York, musée avec lequel la chercheuse bordelaise coordonne depuis plusieurs années le laboratoire international CNRS ARCHE. Ce matériau, prisé par de nombreuses cultures pour ses qualités esthétiques, est retrouvé couramment dans les collections des musées.

« Avec le peu de quantités d’échantillons et donc de protéines à disposition, nous avons réussi à atteindre des niveaux d’information jusque-là inaccessibles en optimisant nos méthodes de préparation et en adaptant les méthodes analytiques et de traitement des données associées ».

L’ivoire est composé d’émail et de dentine dans laquelle on retrouve du collagène, une protéine régulièrement ciblée par l’équipe de chercheurs.
Grâce à de nombreux échantillons fournis par l’American Museum of National History de New York, les chercheurs ont pu constituer une base de données d’espèces habituellement sous-représentées. Cette base de données a ensuite permis, par confrontation des données expérimentales acquises, de différencier l’ivoire d’éléphant de celui d’hippopotame, de cachalot voire même de mammouth ou encore des cornes ou des ossements de cervidés ou de bovins.

Différencier l’ivoire d’éléphant de celui d'un hippopotame… sur la base d’un seul acide aminé 

Alors que l’ivoire de différentes espèces peut être reconnu par analyse morphologique par des spécialistes du domaine, les objets d’art très travaillés, polis ou même abîmés par le temps, deviennent plus difficiles à identifier, précise Caroline Tokarski. « Avec le peu de quantités d’échantillons et donc de protéines à disposition, nous avons réussi à atteindre des niveaux d’information jusque-là inaccessibles en optimisant nos méthodes de préparation et en adaptant les méthodes analytiques et de traitement des données associées ».

Les collagènes sont constitués de plusieurs milliers d’acides aminés constitutifs et les différences de séquences qui existent entre le collagène d’éléphant ou celui d’hippopotame retrouvé dans les objets en ivoire peut se résoudre avec la seule chaîne latérale de deux acides aminés de structures très proches (de mêmes masses) ! Le séquençage par spectrométrie de masse de tout ou partie de la chaine protéique ne suffisait pas dans ce cas, il s’agissait de détecter cette différence d’espèce à l’acide aminé près. Certaines modifications chimiques (comme la déamidation par exemple) peuvent aussi venir altérer un objet ancien et le modifier au cours du temps. Ces phénomènes, véritables horloges chimiques, permettent par ces techniques de différencier les objets anciens des plus récents.

Grâce aux avancées de ces techniques analytiques, et notamment l’analyse protéomique, les chercheurs ont donc réussi à déterminer les origines biologiques d'ivoire et d'os d'objets datant jusqu’à 4000 ans avant J.C. Certains objets de la période égyptienne n’avaient d’ailleurs jamais été analysés, les méthodes d’analyse alors à disposition ayant été jugées trop invasives, raconte Caroline Tokarski.

Si cette méthode d’analyse micro-invasive présente donc un intérêt direct pour les musées, elle pourrait avoir une autre application plus surprenante, celle des contrôles dans le trafic d’ivoire. Les services internationaux de répressions des fraudes utilisent actuellement l’analyse morphologique (identification visuelle) ou l’analyse ADN (très consommatrice en échantillon) pour différencier les ivoires d’éléphant (interdit) et de mammouth (non réglementé). Ils pourraient bénéficier de cette technique nouvelle pour accentuer leurs contrôles tout en limitant les échantillons prélevés.
L’évolution des techniques, tout en limitant les quantités d’échantillons, permet aujourd’hui d’accroître la quantité et la qualité des informations générées autorisant Caroline Tokarski à en apprendre toujours d’avantage sur les objets du passé.