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LC-Q-Orbitrap HRMS Profiling and Functional Characterization of Ocimum basilicum var. purpureum Extract as an Ampicillin-Modulating Agent against Escherichia coli

本研究表明，富含咖啡酸衍生物多酚的紫罗兰罗勒（*Ocimum basilicum* var. *purpureum*）乙醇提取物通过破坏细菌生物能量学（质子通量和 ATPase 活性）并调节氧化应激反应，而非作为直接抗菌剂，从而增强了氨苄西林对大肠杆菌（*Escherichia coli*）的活性。

原作者： Anush Babayan, Barbara Kusznierewicz, Szymon Litewski, Marika Mróz, Mikayel Ginovyan, Agnieszka Bartoszek, Naira Sahakyan

发布于 2026-08-13

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CC BY 4.0

原作者： Anush Babayan, Barbara Kusznierewicz, Szymon Litewski, Marika Mróz, Mikayel Ginovyan, Agnieszka Bartoszek, Naira Sahakyan

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ⚕️ 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。阅读完整免责声明

想象一下，细菌的世界就像一座繁忙的微型城市。在这座城市内部，细菌拥有一种被称为“质子驱动力”的电网。你可以把它想象成一个拦截水流的水坝；压力不断积聚，当水流通过特定的涡轮机（一种名为 ATPase 的酶）时，它就会产生电力（ATP），维持这座城市的运转、生长和分裂。现在，把抗生素想象成这座城市的警察部队。某些抗生素，比如氨苄西林，试图破坏城市的城墙（细胞壁），但如果细菌拥有足够的能量，它们通常可以修补好这些墙壁。然而，如果你能设法干扰电网或切断电力，细菌就会变得过于虚弱，无法修复它们的墙壁，届时警察终于可以接管局面。这就是“抗生素调节”的核心理念：科学家们不再仅仅尝试直接杀死细菌，而是寻找能够削弱细菌防御能力的“助手”，从而让现有的抗生素发挥更强大的作用。这至关重要，因为细菌正变得越来越聪明、越来越强悍，学会了无视我们的药物，所以我们需要新的方法让旧药重新焕发生机。

这时，一支科学家团队决定研究一种非常特殊的紫色罗勒——这种罗勒生长在亚美尼亚，他们想看看它是否能成为那个得力的“副作用搭档”。他们寻找的不仅仅是一种新的杀手，而是一个“力量倍增器”，能够让抗生素氨苄西林在对抗大肠杆菌（一种常见类型的细菌）时变得威力倍增。

研究人员首先仔细观察了紫色罗勒提取物中究竟含有哪些成分。通过使用一种能够以惊人精度称量分子的高科技显微镜（称为 LC-Q-Orbitrap HRMS），他们识别出了 102 种不同的化学成分。这种提取物是植物化学物质的宝库，其中以羟基肉桂酸类物质为主。这里的明星选手是迷迭香酸，以及它的亲戚——升高的鼠尾草酸和萨格里酸。你可以把它们想象成植物化学武器库中的“重型火力”。此外，提取物中还充满了黄酮类化合物，它们就像是植物天然的护盾。当他们测试提取物对抗自由基（会导致损伤的不稳定分子）的能力时，发现它是一个极其强大的抗氧化剂，其得分非常高，几乎可以与一种标准化学物质——儿茶素媲美。

但转折点在于：当他们单独将这种强效提取物投向大肠杆菌时，细菌却毫不在意。即使在高剂量下，提取物也没有杀死细菌或阻止它们的生长。这就像是向一座堡垒投掷了一把闪闪发光的亮片；亮片虽然美丽且化学结构复杂，但无法突破城墙。

然而，当他们把提取物与抗生素氨苄西林混合在一起时，故事发生了彻底的变化。当紫色罗勒提取物与少量的氨苄西林混合后，细菌突然变得脆弱得多。这种组合不仅仅是提供了一点帮助，它甚至将阻止细菌生长的抗生素用量减少了一半。在科学术语中，他们发现了一种“协同”效应，这意味着两者共同作用时的力量远大于各自力量的简单叠加。细菌形成新菌落的能力下降了约 65%，生长速度也减慢了一半。这就像是紫色罗勒提取物关闭了细菌的主要电源开关，使它们在面对抗生素的攻击时变得过于虚弱，无法抵抗。

随后，科学家们深入挖掘以查明这究竟是如何发生的。他们发现，罗勒与氨苄西林的组合对细菌的“电网”造成了灾难性的打击。提取物导致了“质子通量”的大幅下降——想象一下，原本奔腾的水流在水坝中减缓成了细流。更令人震惊的是，用于产生能量的 ATPase 涡轮机的活性下降了约 4.2 倍。这是一个巨大的打击；细菌基本上是在靠残余的能量在苦苦支撑。有趣的是，该提取物似乎对另一种抗生素——卡那霉素不起作用，这表明它有一个非常特定的目标：即氨苄西林发挥作用所依赖的能量系统。

还有一个引人入胜的副作用。虽然提取物本身不是直接的杀手，但它足以让细菌感到不安。细菌开始加强自身的防御系统，产生更多对抗氧化应激的酶（如 SOD 和过氧化氢酶），并开启了通常在面临危险时才会启动的特定基因。这就像是紫色罗勒提取物给了细菌一个轻微的惊吓，让它们惊醒并陷入恐慌，这可能会分散它们在抗生素到达时修复墙壁的注意力。

最后，论文得出结论：这种紫色罗勒提取物并不是一种直接的武器，而是一个出色的战术支援单位。通过针对细菌的能量生产——特别是质子流和 ATPase 引擎——它削弱了细菌在抗生素攻击下生存的能力。研究表明，罗勒中复杂的咖啡酸衍生物化学物质是产生这种效应的原因，尽管究竟是哪一个分子“钥匙”卡住了引擎，目前仍是一个等待被解开的谜团。这项研究为我们如何利用自然界的化学力量来帮助现有药物对抗具有耐药性的细菌提供了一个充满希望的前景。

技术摘要：利用 LC-Q-Orbitrap HRMS 对紫色罗勒 (Ocimum basilicum var. purpureum) 提取物进行定性分析及其对大肠杆菌 (Escherichia coli) 的氨苄西林调节作用的功能特性研究

问题陈述
抗生素耐药性（AMR）是全球性的关键健康挑战，细菌耐药性在 2019 年直接导致了约 127 万人的死亡。新抗生素类别的发现进展缓慢，这使得人们转向关注抗生素佐剂和能够恢复现有抗生素效力的耐药性调节化合物。虽然植物来源的次生代谢产物提供了丰富的生物活性化合物来源，但其具体机制——特别是针对革兰氏阴性菌（如大肠杆菌）中与膜相关的生物能量学和氧化应激反应——需要详细的功能特性研究，以区分其是直接抗菌活性还是抗生素增效作用。

研究方法
本研究调查了产自亚美尼亚的紫色罗勒乙醇提取物（OBEE），采用了多维度的研究方法：

植物化学图谱分析： 采用 LC-Q-Orbitrap HRMS 对提取物进行表征，鉴定出 102 种初步确定的植物化学成分。通过补充的 HPLC-DAD、HPTLC 生物自检法（使用 DPPH 和 ABTS 试剂）以及柱后衍生技术，对抗氧化成分进行了图谱分析。
化学与细胞抗氧化测定： 定量分析了总酚含量（TPC）和总黄酮含量（TFC）。通过 DPPH 和 Fe²⁺ 螯合实验评估了自由基清除能力。通过 TBARS 实验测量了大肠杆菌细胞内关于脂质过氧化的抗氧化指数（AI）。
抗生素调节测试： 通过对大肠杆菌 NM111（一种 katG::lacZ 报告菌株）使用氨苄西林和卡那霉素，评估了 OBEE 的调节潜力。通过平板扩散法和棋盘法确定了最小抑菌浓度（MIC）、调节因子（MF）和分数抑菌浓度指数（FICI）。
功能特性研究： 研究定量分析了 OBEE–氨苄西林组合对菌落形成单位（CFU）、比生长速率和世代时间的影响。
机制研究： 测量了质子通量率（ $J_{H^+}$ ）和总 ATPase 活性，以评估生物能量学的破坏情况。通过测量超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶活性，以及对 $H_2O_2$ 挑战下的 katG::lacZ 表达情况，评估了氧化应激反应。

主要结果

植物化学组成： LC-Q-Orbitrap HRMS 鉴定出 102 种化合物，以羟基肉桂酸及其衍生物（32 种）为主，其次是黄酮类化合物（29 种）。主要成分包括迷迭香酸、菊苣酸、鼠李酸、鼠李酚酸 K 和咖啡酸。该提取物表现出高 TPC（317.75 ± 4.11 µg GAE mg⁻¹）和极强的 DPPH 自由基清除能力（IC₅₀ = 19.37 ± 0.38 µg mL⁻¹），与儿茶素相当。
抗生素增效作用： OBEE 在高达 2 mg mL⁻¹ 的浓度下对大肠杆菌 NM111 没有直接抗菌活性。然而，在非抑制浓度（0.125 和 0.25 mg mL⁻¹）下，它显著增强了氨苄西林的效力，使 MIC 降低了两倍（MF ≥ 2），并表现出协同作用（FICI < 0.5）。未观察到与卡那霉素的协同作用。
生长与生存力： OBEE–氨苄西林组合使菌落形成能力降低了约 65%，使比生长速率降低了约 2 倍，并将世代时间延长了约 51%。
生物能量学破坏： 组合处理导致质子通量显著下降（~~2.1 倍）以及总 ATPase 活性大幅降低（~~4.2 倍）。这些降低程度显著高于仅使用 ATP 合酶抑制剂 DCCD 所观察到的效果。当 DCCD 与 OBEE–氨苄西林组合使用时没有产生加和效应，表明两者在 $F_0F_1$ -ATPase 轴上具有共同靶点。
氧化应激反应： OBEE 处理诱导了轻微的氧化应激反应，表现为 SOD 活性增加约 12%，过氧化氢酶活性增加约 30%，以及 katG::lacZ 表达量增加 1.27 倍。在 $H_2O_2$ 挑战后，katG 表达量增加至 1.44 倍。

意义与主张
研究结论认为，OBEE 的功能主要是作为抗生素调节剂，而非针对大肠杆菌的直接抗菌剂。研究指出，抑制细菌生物能量学——特别是破坏质子通量和 ATPase 活性——是大肠杆菌氨苄西林增效的主要机制候选因素。这种效应的选择性（对氨苄西林有协同作用，而对卡那霉素则无）支持了一种涉及膜相关能量代谢而非通用膜通透性的机制。

此外，SOD、过氧化氢酶和 katG 的诱导被解释为 OBEE 暴露的一种平行适应特征，这可能是由于多酚类物质在细菌细胞内作为氧化还原循环剂所致，而非增效的主要机制。作者断言，生物能量轴是主要靶点，这为未来通过生物活性指导的分级分离和靶点解离来识别复杂提取物中的特定分子贡献者提供了动力。本研究并未声称已鉴定出确切的分子靶点，但提供了将效应定位在 $F_0F_1$ -ATPase 系统上的强有力功能性证据。

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