Le pergamene vengono prodotte dalle pelli animali e sono costituite dallo strato cutaneo del derma, principalmente composto da collagene. Le pergamene antiche sono spesso deturpate da macchie viola, associate alla distruzione localizzata delle fibre di collagene.

Il primo approccio allo studio del biodeterioramento batterico delle pergamene antiche è stato fatto studiando un rotolo di pergamena del 1244 D.C., lungo cinque metri e conservato nell’Archivio Segreto Vaticano. Venne redatto durante la fase preliminare del processo di canonizzazione del Beato Lorenzo Loricato. Il rotolo è danneggiato da macchie viola, che hanno determinato la delaminazione dello strato più superficiale della pergamena con perdita di leggibilità. Lo studio di questo prezioso documento è stato effettuato con tre approcci diversi: uno fisico (Light Trasmission Analysis), per caratterizzare la struttura e lo stato di conservazione della pergamena; uno chimico (Spettroscopia RAMAN), per identificare la composizione del pigmento delle macchie viola e uno metagenomico (Next Generation Sequencing, 454-pyrosequencing), per identificare i microrganismi responsabili dell'attacco microbico nelle aree viola.

L'integrazione dei risultati di questi approcci ci ha permesso di ipotizzare un modello di colonizzazione (nella figura) che spiega perché questo tipo di deterioramento della macchia viola sia comune a documenti con diverse età e storie individuali.

 

 

 

 

 

Un secondo studio, effettuato con lo stesso approccio multidisciplinare, ha coinvolto tre pergamene molto danneggiate appartenenti ad un'altra collezione dell'Archivio Segreto Vaticano, il Faldone Patrizi A 19 del XVI-XVII secolo D.C. Il Next Generation Sequencing (piattaforma Illumina) ha rivelato che nelle aree danneggiate dalle macchie viola le sequenze di DNA appartenevano all’archea Halobacterium salinarum, la spettroscopia RAMAN ha identificato il pigmento all'interno delle macchie viola come batterioruberina e batteriorodopsina di produzione archeale. La Light Transmission Analysis ha permesso di quantificare il danno alle strutture di collagene in queste pergamene. Nuovamente, l’integrazione dei risultati di questi studi ha permesso di dare una veste definitiva al modello di degradazione progressiva del collagene delle pergamene attaccate. Nel complesso, questi dati convalidano e specificano la dinamica del modello di successione microbica multifase che è riportato nella figura seguente.

Entrambi gli articoli sono stati pubblicati sulla rivista Scientific Reports del gruppo Nature; il primo ha suscitato un grande interesse mediatico: online sono stati pubblicati oltre 100 articoli in 18 lingue, da quelli orientali (cinese, giapponese, indonesiano, coreano e thailandese), a russo, galiziano, brasiliano, per menzionare solo i meno attesi ...

La dinamica del processo di colonizzazione è stata inquadrata nella cornice ecologica teorica: la successione in due fasi corrisponde e conforta ambedue le teorie principali sulle successioni ecologiche che erano state ipotizzate all’inizio del XX Secolo da Clements (1916) e Gleason (1926). Infatti, in accordo con l’ipotesi di Clements la prima fase è una fase abbastanza conservativa, viene sempre innescata dagli aloarchea alofili, che sono i diretti responsabili delle purple spot, e prosegue con eterotrofi opportunisti alotolleranti come i Vibrio. Invece la seconda fase, in accordo con l’ipotesi di Gleason, è a carico dei microbi presenti nell’ambiente che per primi riescono a colonizzare il manufatto già attaccato dai microbi di prima fase, dunque i colonizzatori finali variano tra i diversi documenti e dipendono dal pool ambientale.

 

Abbiamo anche studiato la materia prima, cioè le pelli animali - usate per diversi scopi da secoli, per via delle peculiari proprietà meccaniche della pelle. Per via della loro origine animale, anche i pellami grezzi possono subire attacchi microbici e biodeterioramento. Infatti, anche le pelli grezze attuali sono sottoposte a colonizzazione biologica e tracce di questa colonizzazione sono chiaramente mostrate nelle pelli conciate al cromo (nella fase wet blue), che determinano danni economici: le pelli conciate presentano spesso macchie rosse isolate o coalescenti, note come red heat deterioration. Abbiamo per questo studiato le dinamiche del biodeterioramento e gli effetti sulla stabilità/integrità della struttura del collagene su pelli conciate al cromo, utilizzando metodi di microbiologia standard, al fianco delle tre tecnologie utilizzate per le pergamene. Con questi dati abbiamo potuto valutare se pelli e pergamene condividono responsabili ed effetti del biodeterioramento, confrontando pelli conciate al cromo e pergamene storiche sia per quel che riguarda i microorganismi colonizzatori, sia per gli effetti sulle proprietà fisiche, rilevando che le dinamiche di colonizzazione sono le stesse anche se il trattamento al cromo non solo uccide tutti i microrganismi presenti, bloccando la successione alla prima fase, ma produce anche cross-link nella struttura del collagene danneggiato ripristinandone la stabilità e l’integrità.

 

Questo lavoro è svolto in collaborazione con Fulvio Mercuri, del Dipartimento di Ingegneria Industriale, Silvia Orlanducci, del Dipartimento di Chimica dell’Università Tor Vergata e Alessandro Rubechini, dell’Archivio Apostolico Vaticano (ex Archivio Segreto), colleghi con cui insegniamo al Corso di Laurea Magistrale Abilitante a Ciclo Unico “Conservazione e restauro dei beni culturali”, fiore all’occhiello dell’Università Tor Vergata. Tutti noi siamo in debito con S.E.R.ma Mons. Sergio Pagano, Prefetto dell'Archivio, che ci ha dato l'opportunità unica di lavorare nell'incredibile contesto dell'Archivio, tra i suoi chilometri di scaffalature e migliaia di documenti. Un ringraziamento speciale va a Domenico Castiello e Valerio Talarico del Po.Te.Co (Polo Tecnologico Conciario, s.c.r.l., Santa Croce sull’Arno, Italy) che hanno supportato il lavoro sulle pelli moderne, collaborando sia alla parte tecnica sia a quella concettuale dello studio.

 

Perini N., Mercuri F., Orlanducci S., Thaller M.C., Migliore L. (2020). THE INTEGRATION OF METAGENOMICS AND CHEMICAL PHYSICAL TECHNIQUES BIODECODED THE BURIED TRACES OF THE BIODETERIOGENS OF PARCHMENT PURPLE SPOTS. Frontiers in Microbiology, 11:598945. DOI: 10.3389/fmicb.2020.598945

Ancient parchments record an immense part of our cultural heritage, having been used as the main written support material for centuries. Parchment easily undergoes biodeterioration, whose main signs are the so-called purple spots, which often lead to detachment of the superficial written layer. Up to recent years, several studies have been analyzing damaged parchments from different world’s archives, trying to trace back the culprit of the purple spots. However, standard cultivation and early molecular techniques have been demonstrated to be unsuccessful, leading the parchment damage issue remaining unsolved for many years. Nowadays, some studies have explored the parchment biodeterioration dynamics by adopting a multidisciplinary approach combining standard microbiological methods with high-throughput molecular, chemical and physical techniques. This approach allowed an unprecedented level of knowledge on the complex dynamics of parchment biodeterioration. This mini review discusses the application of the combination of basic and high-throughput techniques to study historical parchments, highlighting the strengths and weaknesses of this approach. In particular, it focuses on how metagenomics has been paramount for the unequivocal identification of the microbial main actors of parchment biodeterioration and their dynamics, but also on how metagenomics may suffer the distortion inflict by the historical perspective on the analysis of ancient specimens. As a whole, this mini review aims to describe the scenario of information on parchment biodeterioration obtained so far by using the integration of metagenomic with recent chemical (Raman spectroscopy) and physical (Light Transmission Analysis) approaches, which might have key implications in the preservation of many ancient documents.

 Perini N., Mercuri F., Thaller M.C., Orlanducci S., Castiello D., Talarico V., Migliore L. (2019) - THE STAIN OF THE ORIGINAL SALT: RED HEATS ON CHROME TANNED LEATHERS AND PURPLE SPOTS ON ANCIENT PARCHMENTS ARE TWO SIDES OF THE SAME ECOLOGICAL COIN. Frontiers in Microbiology, 10:2459. DOI: 10.3389/fmicb.2019.02459

 Animal hides are one of man’s earliest and mostly used material; many rawhide products, primarily leather, are used for several purposes since centuries. The peculiar mechanical properties of leather made it material of choice for many different applications and goods; consequently, leather industry had a great success in all human cultures. Unfortunately, due to their animal origin, rawhides may undergo microbial attack and biodeterioration; but in the centuries, different processes and treatments (brining, vegetal or chrome tanning, tawing, etc.) were set up to face the biological attack and modify/stabilize the hide mechanical properties. Nevertheless, even present-day rawhides are subjected to biological colonization and traces of this colonization are clearly shown in chrome tanned leathers (in the wet blue stage), with obvious economic damages; tanned leathers often show isolated or coalescent red patches, known as red heat deterioration.

Even parchments, hide product which derive from another manufacturing procedure, undergo microbial attack and biodeterioration. A frequent ancient parchment alteration, called purple spots, show signs of biodeterioration comparable to the red heat deterioration. Recently, an ecological succession model explained the process of historical parchment purple spot deterioration, suggesting the haloarchaea H. salinarum as the triggering pioneer organism of this biological attack; salting of hides – to prevent the hide from rotting – has been identified as the responsible for haloarchaeal colonization (Migliore et al., 2019).

The aim of this study was to investigate the dynamics of biodeterioration on chrome tanned leathers and its effects on the stability/integrity of collagen structure. To this end, standard cultivation methods were integrated with three updated technologies, including Next Generation Sequencing, RAMAN spectroscopy and Light Transmitted Analysis. Moreover, to evaluate if leather and parchment share common culprits and effects of the biodeterioration, a comparison between chrome tanned leather vs historical parchments was performed, as regard both the colonizing microorganisms and effects on the physical properties of the hide product.

Migliore L., Perini N., Mercuri F., Orlanducci F., Rubechini A., Thaller M.C. (2019) - THREE ANCIENT DOCUMENTS SOLVE THE JIGSAW OF THE PARCHMENT PURPLE SPOT DETERIORATION AND VALIDATE THE MICROBIAL SUCCESSION MODEL Scientific Reports, 9: 1623. DOI: 10.1038/s41598-018-37651-y

The preservation of cultural heritage is one of the major challenges of today’s society. Parchments, a semi-solid matrix of collagen produced from animal skin, are a significant part of the cultural heritage, being used as writing material since ancient times. Due to their animal origin, parchments easily undergo biodeterioration: the most common biological damage is characterized by isolated or coalescent purple spots, that often lead to the detachment of the superficial layer and the consequent loss of written content. Although many parchments with purple spot biodegradative features were studied, no common causative agent had been identified so far. In a previous study a successional model has been proposed, basing on the multidisciplinary analysis of damaged versus undamaged samples from a moderately damaged document. Although no specific sequences were observed, the results pointed to Halobacterium salinarum as the starting actor of the succession. In this study, to further investigate this topic, three dramatically damaged parchments were analysed; belonging to a collection archived as Faldone Patrizi A 19, and dated back XVI-XVII century A.D. With the same multidisciplinary approach, the Next Generation Sequencing (NGS, Illumina platform) revealed DNA sequences belonging to Halobacterium salinarum; the RAMAN spectroscopy identified the pigment within the purple spots as haloarchaeal bacterioruberin and bacteriorhodopsine, and the LTA technique quantified the extremely damaged collagen structures through the entire parchments, due to the biological attack to the parchment frame structures. These results allowed to propose a model of the progressive degradation pattern of the parchment collagen. Overall, these data validate a multi-phase microbial succession model. This demonstration is pivotal to possible new restoration strategies, important for a huge number of ancient documents.

Migliore L., Thaller M.C., Vendittozzi G., Mejia A.Y., Mercuri F., Orlanducci S., Rubechini A. (2017) - PURPLE SPOT DAMAGE DYNAMICS INVESTIGATED BY AN INTEGRATED APPROACH ON A 1244 A.D. PARCHMENT ROLL FROM THE SECRET VATICAN ARCHIVE. Scientific Reports, 7: 9521 DOI: 10.1038/s41598-017-05398-7 

Ancient parchments are commonly attacked by microbes, producing purple spots and detachment of the superficial layer. Neither standard cultivation nor molecular methods (DGGE) solved the issue: causative agents and colonization model are still unknown. To identify the putative causal agents, we describe the 16 S rRNA gene analysis (454-pyrosequencing) of the microbial communities colonizing a damaged parchment roll dated 1244 A.D. (A.A. Arm. I-XVIII 3328, Vatican Secret Archives). The taxa in damaged or undamaged areas of the same document were different. In the purple spots, marine halotolerant Gammaproteobacteria, mainly Vibrio, were found; these microorganisms are rare or absent in the undamaged areas. Ubiquitous and environmental microorganisms were observed in samples from both damaged and undamaged areas. Pseudonocardiales were the most common, representing the main colonizers of undamaged areas. We hypothesize a successional model of biodeterioration, based on metagenomic data and spectroscopic analysis of pigments, which help to relate the damage to a microbial agent. Furthermore, a new method (Light Transmitted Analysis) was utilized to evaluate the kind and entity of the damage to native collagen. These data give a significant advance to the knowledge in the field and open new perspectives to remediation activity on a huge amount of ancient document.

Migliore L., Vendittozzi G., Mejia A.Y., Mercuri F., Carbonetti C., Thaller M.C., Romani M., Cicero C., Orazi N., Pasqualucci A., Marinelli M., Rubechini A. (2016) - IL ROTOLO A.A., ARM. I-XVIII 3328 DELL’ARCHIVUM ARCIS: STUDI LETTERARI E SCIENTIFICI, INTERVENTI DI RESTAURO. Dall’Archivio Segreto Vaticano. Miscellanea di testi, saggi e inventari, IX: 403-421. Clicca qui per accedere all’articolo