铁苋菜乙醇提取物靶向DNA促旋酶B和二氢叶酸还原酶：一种对抗食源性病原体的新型天然防腐剂

《Scientific Reports》：“Therapeutic potential of Acalypha indica L. leaf fractions against foodborne pathogens: an in vitro and in silico study”

本研究针对食源性病原体日益严重的耐药性问题，系统评估了铁苋菜（Acalypha indica L.）乙醇提取物的抗菌潜力。通过体外实验证实其具有显著的抗氧化（DPPH/FRAP）和抗菌活性，并利用响应面法（RSM）优化了提取工艺。GC-MS分析鉴定出11种主要植物化合物，其中两种新发现的化合物（Hit 8和Hit 11）通过分子对接和分子动力学模拟（MDS）被证实能稳定结合金黄色葡萄球菌的DNA促旋酶B（GyrB）和大肠杆菌的二氢叶酸还原酶（DHFR），展现出作为天然食品防腐剂的巨大应用前景。

　　

在食品安全领域，食源性病原体引发的疾病和食品腐败问题日益严峻，全球每年约有7.7%的人口受到影响。随着抗生素耐药性的不断加剧，开发安全、有效的天然替代品已成为当务之急。尽管合成防腐剂效果显著，但其潜在的化学残留、耐药性产生及健康风险限制了其应用，促使科研人员将目光转向植物源天然产物。铁苋菜（Acalypha indica L.）作为一种传统药用植物，在印度等地被广泛用于治疗呼吸道感染和关节炎等疾病，其抗炎、抗菌和抗氧化特性已得到初步证实。然而，其作为天然食品防腐剂的潜力，特别是其活性成分与关键细菌靶蛋白的相互作用机制，仍有待深入探索。为此，研究人员在《Scientific Reports》上发表了一项研究，通过整合体外实验与计算机模拟，系统揭示了铁苋菜乙醇提取物对抗食源性病原体的分子机制。

为了系统评估铁苋菜的生物活性，研究人员采用了多学科交叉的研究策略。首先，他们利用索氏提取法，采用石油醚、氯仿和乙醇三种不同极性的溶剂对铁苋菜叶片进行提取，并利用响应面法（RSM）优化了乙醇提取物的抗氧化活性。随后，通过DPPH和FRAP法评估了各提取物的抗氧化能力，并通过琼脂扩散法和微孔板法测定了其抗菌和抗生物膜活性。在化学分析方面，研究团队运用薄层色谱（TLC）和柱色谱对乙醇提取物进行分离纯化，并通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术鉴定了其中的主要活性成分。在计算机模拟方面，研究人员利用分子对接技术，将GC-MS鉴定出的化合物与金黄色葡萄球菌的DNA促旋酶B（GyrB）和大肠杆菌的二氢叶酸还原酶（DHFR）进行对接，筛选出具有高结合亲和力的候选分子。最后，通过分子动力学模拟（MDS）对筛选出的“命中”化合物进行了100纳秒的模拟，以评估其与靶蛋白复合物的稳定性、构象变化和相互作用模式。

提取物得率与抗氧化活性评估

研究首先比较了不同溶剂提取物的得率，发现乙醇提取物的得率最高（28.2%），显著高于氯仿（23.2%）和石油醚（4.05%）。在抗氧化活性方面，乙醇提取物同样表现出最强的活性。在DPPH自由基清除实验中，乙醇提取物在250 μg/mL浓度下的清除率高达84.36%，其IC₅₀值为143.6 μg/mL，优于石油醚和氯仿提取物。在FRAP还原能力测定中，乙醇提取物同样表现出最高的还原能力（69%），IC₅₀值为175.2 μg/mL。这些结果表明，乙醇是提取铁苋菜中具有强抗氧化活性成分的最佳溶剂。

抗菌与抗生物膜活性分析

体外抗菌实验显示，乙醇提取物对两种食源性病原体——金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）均具有显著的抑制作用，且呈浓度依赖性。在25 mg/mL浓度下，对金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径达到24.0 mm，对大肠杆菌的抑菌圈直径达到29.3 mm。此外，乙醇提取物还表现出强大的抗生物膜形成能力。在250 μg/mL浓度下，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌生物膜形成的抑制率分别达到66.36%和65.45%，表明其不仅能抑制细菌生长，还能有效破坏细菌的群体感应和附着能力。

响应面法优化提取工艺

为了最大化乙醇提取物的抗氧化活性，研究人员采用响应面法（RSM）对提取时间、样品浓度和乙醇浓度三个关键参数进行了优化。通过Box-Behnken设计（BBD）建立模型，发现这三个因素及其交互作用对DPPH和FRAP活性均有显著影响。优化后的模型具有较高的决定系数（R²），表明模型拟合良好，能够有效预测和优化提取条件。

植物化学成分鉴定

通过GC-MS分析，研究人员从铁苋菜乙醇提取物中鉴定出11种主要植物化合物。其中，2-丁烯酸、4-氧代-、2(5H)-呋喃酮、5-羟基-、2-戊烯酸等化合物已被报道具有抗炎、抗氧化和抗菌活性。此外，研究还发现了两种在铁苋菜中首次报道的化合物：3-氯-5-((二甲氨基)甲基)-4,5-二甲基-2(5H)-呋喃酮（Hit 8）和N-(2,2-二氯-1-羟基乙基)-2,2-二甲基丙酰胺（Hit 11），它们被选为后续计算机模拟研究的重点对象。

分子对接与ADMET预测

分子对接研究旨在阐明活性化合物与细菌关键靶蛋白的结合模式。研究人员将GC-MS鉴定出的11种化合物与金黄色葡萄球菌的DNA促旋酶B（GyrB）和大肠杆菌的二氢叶酸还原酶（DHFR）进行对接。结果显示，Hit 8和Hit 11对两种靶蛋白均表现出较高的结合亲和力。其中，Hit 8与GyrB和DHFR的结合能分别为-5.21 kcal/mol和-8.38 kcal/mol；Hit 11与GyrB和DHFR的结合能分别为-4.39 kcal/mol和-8.75 kcal/mol。ADMET（吸收、分布、代谢、排泄和毒性）预测分析表明，这两种化合物均具有良好的类药性，且急性口服毒性较低（毒性等级为4级），显示出良好的安全性。

分子动力学模拟验证

为了进一步验证分子对接的结果并评估蛋白-配体复合物的稳定性，研究人员对Hit 8和Hit 11与靶蛋白的复合物进行了100纳秒的分子动力学模拟（MDS）。模拟轨迹分析显示，两种化合物与靶蛋白形成的复合物在整个模拟过程中均保持稳定。根均方偏差（RMSD）和根均方涨落（RMSF）值均处于较低水平，表明蛋白骨架和氨基酸残基的波动较小。回转半径（Rg）和溶剂可及表面积（SASA）分析表明，复合物结构紧凑，没有发生明显的展开或变性。氢键分析进一步证实了Hit 8和Hit 11与靶蛋白活性位点残基之间形成了稳定的相互作用，支持了其作为有效抑制剂的潜力。

本研究通过整合体外实验与计算机模拟，系统揭示了铁苋菜乙醇提取物作为天然食品防腐剂的巨大潜力。研究证实，乙醇是提取其活性成分的最佳溶剂，所得提取物具有强大的抗氧化、抗菌和抗生物膜活性。通过GC-MS分析，研究人员不仅鉴定了多种已知的活性化合物，还发现了两种新的潜在活性分子（Hit 8和Hit 11）。分子对接和分子动力学模拟结果从分子层面阐明了这些化合物通过稳定结合细菌的关键靶蛋白（GyrB和DHFR）来发挥抗菌作用的机制。ADMET预测进一步支持了其作为食品添加剂的安全性。这些发现不仅为铁苋菜在食品保鲜领域的应用提供了坚实的科学依据，也为开发新型、安全、高效的天然抗菌剂奠定了理论基础。