告别“大海捞针”！MALDI-TOF 加速古蛋白研究

考古大事件

2009年

Buckley 等人首次报道了基于质谱的动物考古学（zooarchaeology by mass spectrometry, ZooMS）, 通过 MALDI-TOF 技术分析骨胶原蛋白指纹肽段来鉴定骨骼、牙齿等破碎动物骨骼，从而实现物种鉴定^[1]。

2024年

兰州大学环境考古张东菊教授团队在《Nature》上发表重要成果，凭该技术从 2500 余件骨骼中筛出丹尼索瓦人肋骨化石，将其生存时间延至 4 万年前^[2]。

2025年

中科院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹教授团队在《Science》上发文，对河北地质大学博物馆收藏的哈尔滨古人类头骨样本进行了深入的古蛋白质组学研究,  证实 14.6 万年前的哈尔滨头骨属于丹尼索瓦人^[3]。

短短两年间，我国考古领域获得两次重大突破，精准定位神秘古人类的时空轨迹。而在这些重要成果的背后，在实验方法中都使用了 ZooMS。ZooMS 究竟是什么呢？

1. 形态学分析：动物考古学传统的鉴定方法是形态学分析,  依靠鉴定人员的测量手段以及经验判断骨骼形态，从而判断古遗址中动物遗存所代表的相关物种的种属，这种方法对遗存保存状况要求极高，若针对破碎、经热处理的骨头或骨制品，一旦原始形态消失或改变，就很难实现种属鉴定。

2. 分子生物学：近年来，分子生物学在考古领域中广泛应用，通过比较不同种属的生物大分子（DNA 或蛋白质）的序列差异即可达到种属鉴定的目的。

• 古 DNA 分析：从古代生物遗骸中提取微量残存的 DNA 片段，通过测序和比对，还原其遗传信息并解读物种、亲缘或演化关系。但古 DNA 对环境极其敏感，高温、潮湿、微生物活动都会加速其降解，且 DNA 分析成本高且操作要求严格（如需在超净室中提取古代 DNA），也面临着受到外源 DNA 污染的问题。

• 古蛋白分析：从古代生物遗骸（如骨骼、牙齿、毛发）中提取并鉴定残存的蛋白质，通过分析其氨基酸序列，反推物种归属、亲缘关系甚至生理特征。而在出土动物遗存中，胶原蛋白等蛋白质是骨骼、牙齿、皮肤等生物组织中含量最多的成分，且可保存数百万年，因此古蛋白分析方法可成为古 DNA 的重要补充。

目前，古蛋白质分析主要有两种方法：

1. 基于串联质谱的蛋白质组学技术（LC-MS/MS）：可对蛋白质序列进行深度解析，适用于筛选后的目标样本精细蛋白质分析。

2. 基于一级质谱的肽质量指纹图谱技术（PMF）：基于 MALDI-TOF 质谱可实现超高通量的蛋白质鉴定，成为大规模样本初筛的理想选择。
   

ZooMS 方法原理为由于不同种属动物的Ⅰ型胶原蛋白氨基酸序列存在显著差异，经蛋白酶（如胰蛋白酶）酶切后，产生的肽段混合物会呈现出具有种属特异性的质量数分布。这种特征性分布可通过 MALDI-TOF MS 技术转化为直观的肽质量指纹图谱，研究人员通过比对图谱即可快速完成种属鉴定。

在考古中，研究人员常需从成千上万件碎骨中寻找人骨样本，有时即便分析1000 余件骨骼，也未必能发现人类化石。此时，ZooMS 凭借 MALDI-TOF 的高通量优势，可快速从海量样本中筛选出人骨候选样品；筛选完成后，再通过 LC-MS/MS 进行深度分析，最终判断目标样本（如人类肋骨碎片）是否属于远古人类，形成 “高效筛选 + 精准验证” 的完整研究流程。

图1：ZooMS 胶原蛋白分析流程图

（图源来自文献4）

ZooMS 方法可以高通量、低成本和准确地鉴定那些不具备形态鉴定特征的碎骨、动物硬组织、软组织及相关制品，已成功应用于不同时期、不同埋藏环境的考古遗址动物遗存的鉴定中。此外，很多食品、药品、保健品和皮草中都含有胶原蛋白类物质，也可用于鉴定其动物来源，判断是否掺假或造假。

未来，随着更高通量的 MALDI-TOF 技术（布鲁克10000Hz Smartbeam? 3D 激光器可实现 < 5 min 384 个样品采集），以及 ZooMS 数据库的持续扩容，基于 MALDI-TOF 的 ZooMS 方法将在古蛋白研究等考古领域中发挥更大作用。

[1] Buckley, M., Rapid Communications in Mass Spectrometry,23(2009):3843-3854.

[2] Xia, H., Zhang, D., Wang, J.et al.  Nature 632, 108–113 (2024). 

[3] Qiaomei Fu et al. Science 389, 704 (2025)

[4] 刘理,  饶慧芸, 杨益民. 文物保护与考古科学, 1005-1538(2023).

[5] Buckley, M., Journal of Archaeological Science. 41 (2014): 631-641.