摘 要 環(huán)肽分子通過主鏈骨架中C=O和 N—H 形成分子間網(wǎng)絡氫鍵，以 β-片層反平行方式堆積可形成中空管狀結構。通過控制環(huán)肽的結構和尺寸，或修飾具有不同功能的基團，可獲得多種結構和性能的肽納米管。本文綜述了環(huán)肽分子自組裝成納米管的應用研究成果。首先介紹了帶合適疏水性側鏈的環(huán)肽納米管在模擬生物跨膜離子通道方面的實驗和理論研究進展，重點論及環(huán)肽納米管的結構、極性和側鏈的疏水性等對離子通道傳輸行為的影響以及分子動力學(MD)模擬研究水通道的進展。進而介紹了環(huán)肽納米管用作生物傳感器模板，與功能性(如電性、光學性和磁性)納米材料合成制備生物傳感器的實驗研究成果，接著介紹了環(huán)肽納米管作為藥物或藥物載體潛在的應用前景，特別是在某些抗菌和抗感染藥物開發(fā)設計中的應用以及環(huán)肽在不同極性環(huán)境中自組裝過程微觀機制的 MD 模擬研究，最后介紹了環(huán)肽納米管作為模板，制備磁性、電性納米材料方面的實驗和理論研究進展。
目前，除了交替 D，L-α 氨基酸外，交替 α-，β-、交替 α-，γ-、β-、δ-、ε-氨基酸等也已用于環(huán)肽納米管的合成［2—8］。通過改變氨基酸個數(shù)與種類或修飾上某些基團可調(diào)節(jié)納米管的管徑和內(nèi)外壁的性質(zhì)。環(huán)肽納米管具有種類多樣化、管徑可調(diào)、相對穩(wěn)定、良好的生物相容性和可調(diào)控的生物降解等特性，在化學 、生物化學、材料科學和醫(yī)學等領域具有潛在的、廣闊的應用前景［9—13］，是近年來納米材料的研究熱點之一。
2 環(huán)肽納米管的應用研究
在生物體系中，細胞或細胞器通過生物膜與外界進行物質(zhì)交換，選擇性地吸收所需要的養(yǎng)料，同時排出廢物以維持正常的功能。一些離子、相對較大的極性或帶電分子的運輸主要通過載體蛋白和離子通道蛋白的介導。中空管狀結構的環(huán)肽納米管具有良好的生物兼容性，可以模擬此類膜蛋白的通道作用。實驗［14，15］發(fā)現(xiàn)，具有合適疏水性側鏈的環(huán)肽能快速進入脂質(zhì)雙分子層的生物膜，然后在膜中通過氫鍵自組裝成離子或分子運輸通道，如 圖 1 ( b) 所示，不同管徑的肽納米管能傳送不同大小的離子或小分子。
與 D，L-α 環(huán)肽納米管相比，β-環(huán)肽子結構通過分子間氫鍵以平行方式堆積，導致 β-肽管具有巨大的偶極矩。在跨膜離子通道中，巨大的偶極矩能改變離 子 傳 導 率［17］。Buehler 等［18］發(fā) 現(xiàn) cyclo ［( -β3-HTrp) 4 -］和 cyclo［( -β3-HTrp-β-HLeu) 2 -］能 插 入 到脂質(zhì)雙分子 層 的 膜 中，自 組 裝 成 管 徑 為 2. 6—2. 7的納米 管，通 過 監(jiān) 測 對 pH 值 敏 感 的 染 料 5 ( 6 ) -carboxyfluorescein (CF) 的 熒 光 光 譜，發(fā) 現(xiàn) 膜 兩 邊 的質(zhì)子濃度梯度被破壞，說明兩種肽納米管顯示出強的質(zhì)子傳輸能力，實驗結果也表明它們能有效運輸K + ，傳導率為 1. 9 × 107ions/s。
環(huán)肽納米管 模 擬 跨 膜 離 子( 分 子) 通 道 微 觀 行為的理論 研 究 也 十 分 活 躍［19］，特 別 是 分 子 動 力 學(molecular dynamics，MD) 方 法 可 以 觀 察 離 子 或 分子在納米管中運動的微觀過 程［20—23］。計 算 機 的 高速發(fā)展使得 MD 模擬可達到幾十萬個原 子、數(shù) 百 納秒，采用某些近似處理方法，甚至可以達到微秒級。Cheng 等［24］用 MD 方法模擬了 cyclo［(1R，3S) -γ -Acc-D-Phe］3 自組 裝 的 PNT 對 CHCl3 的 吸 附 過 程，研究結果表明該環(huán)肽的四聚體結構很穩(wěn)定，且能進一步組裝成納米管，管內(nèi)外壁均具有一定的疏水性，能夠吸附 CHCl3 分子。Schatz 等［25］用 SMD ( steeredmolecular dynamics) 方 法 模 擬 了 Na + 和 K + 在 cyclo［( -D-Ala-Glu-D-Ala-Gln-) 2］納米管中的滲 透 性，發(fā)現(xiàn)在管的進口和出口處有約2. 4kcal / mol的能壘，在管中間存在勢阱。對 Na + 的模擬產(chǎn)生較多且深的勢阱，表明 Na + 在管內(nèi) 的 停 留 時 間 更 長，K + 比 Na + 的透過率高。在不同介質(zhì)中形成的 PNTs 對離子滲透性也有差異。Chipot 等［26］模擬了 cyclo［( -D- Leu-LTrp-) 4 ］PNT 在 水 溶 液 和 POPC (palmitoyl-oleylphosphatidylcholine)膜雙分子層中對 Na + 的滲透性，水環(huán)境中形成的 PNT 中部有一個很深的勢阱，Na +可以很容易進入納米管，但一旦進入不易再出來;在膜環(huán)境 下 形 成 的 PNT 中，勢 阱 深 度 很 淺，Na + 通 過PNT 可以很容易穿越膜雙分子層，說明 PNT 對離子的通透性不僅與它自身的結構有關，也與它周圍的環(huán)境有關。Tarek 等［27］通過在膜兩邊放不同數(shù)目的Na + 和 Cl－ ，離子在膜雙分子層兩邊的非對稱分布產(chǎn)生跨膜電勢，從而模擬真實生物條件下離子在環(huán)肽納 米 管 中 的 運 動，估 算 出 Na + 在 cyclo［( -Trp-DLeu-) 6］十二肽納米管中的電導為 186 ps，與在 cyclo［( -Trp-D-Leu-) 4］八 肽 納 米 管 中 實 測 的 電 導 值 55ps［14］相 比 基 本 合 理。Engels 等［28］進 行 了 0. 76 ns的動力學模擬，研究了水分子在 cyclo［( -Gln-D-AlaG1u-D-Ala-) 2］八肽十聚體納米管中的結構，結果顯示水在管中 形 成 了 一 種 交 替 式 的“1—2”水 分 子 結構，即每個多肽環(huán) C α 形成的平面內(nèi)有一個水分子，而每兩個多肽環(huán)之間有兩個水分子。Tarek 等［29］模擬了 cyclo［-( Trp-D- Leu) 3Gln-D-Leu］納米管在水化的 DMPC ( dimyristoyl phosphatidyl choine) 膜雙分子層組成的跨膜通道中水分子的運動，管中的水分子以協(xié)同的方式運動且流動不具有方向性，在模擬過程中，納米管中的水鏈會間歇性地斷開，這種現(xiàn)象在aquaporin-1 水通道中也能觀察到［30］。
將功能性(如電性、光學性和磁性) 納米材料固定在生物大分子上，能夠形成對特定種類化學物質(zhì)或生物活性物質(zhì)具有選擇性和可逆響應的生物傳感器。環(huán)肽納米管可以通過調(diào)節(jié)孔徑，修飾具有一定功能的基團，使靈敏度大幅提高，縮短檢測時間，是一種潛在的極具應用前景的生物傳感器分子識別元件。某些表面具有羥基或羧基等基團的環(huán)肽納米管可作為生物傳感器的模板，因為它們不需要任何表面修飾就能附著目標抗體，如某些生化酶，從而制備出具有高 度 選 擇 性 的 生 物 傳 感 器。Cho 等［31］先 用PNT ( cyclo［( -Gln-D-Leu-) 4 ］) 修 飾 碳 電 極，然 后 將大腸桿菌的某種抗體與碳電極上的 PNT 結合，制備了電化學免疫傳感器并進行循環(huán)伏安測試。研究發(fā)現(xiàn)，電流的峰值隨著表面修飾的不同而有很大變化，這是一種高靈敏度、易制備、低成本、可以針對特定抗原，能同時用于實驗室和現(xiàn)場操作的電化學免疫傳感器。修飾的環(huán)肽納米管可以用于構造各種不同的高敏感性傳感器，結構的生物兼容性和化學靈活性 能 夠 使 它 們 應 用 于 免 疫 測 定 和 電 化 學 探 測。Motesharei 等［32］將硫化物先組 裝 到 Au 薄 膜 基 底 上形成 SAM ( self-assembled monolayers) ，再 放 入 環(huán) 肽( cyclo［( -D-Leu-L-Trp-) 4 ］) 的 乙 醇 溶 液 中，獲 得 垂直于 SAM 的肽納米管，通過循環(huán)伏安法和交流阻抗譜分析其 性 質(zhì)，發(fā) 現(xiàn) 絡 合 離 子［Fe( CN) 6 ］3 － 和［Ru(NH3 ) 6 ］3 + 能 夠 通 過 該 納 米 管 通 道，而 ［Mo(CN) 8］4 － 則無法進入管內(nèi)，這種多肽納米管能夠識別一定大小的分子或離子，可能用于生物傳感器的制備。
環(huán)肽分子在膜雙分子層中自組裝成的納米管，具有良好的生物相容性、較高的抗菌活性，以及降解后的產(chǎn)物對生物無毒害，故在新抗菌藥劑和細胞毒藥物的研發(fā)中展 現(xiàn) 出 極 好 的 應 用 前 景［33］。環(huán) 肽 子結構通過酶的不穩(wěn)定鍵能進入特定的細胞靶向點，在特定的細胞識別部位，目標基團的斷開導致多肽濃度增加，從而有利于納米通道的形成，引起細菌細胞膜兩邊的離子勢發(fā)生變化，使細胞快速死亡，這一特性已被應用于某些抗菌和抗感染藥物的設計［34］。環(huán)肽納米管具有能快速殺菌的作用，使它能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的抗生素，有效減弱細菌抗藥性。天然的抗菌多肽表現(xiàn)出良好的抗菌活性，但因具有強的溶血作用，限制了它 們 的 應 用;而 D，L-α 環(huán) 肽 納 米 管 可 以選擇不同的氨基酸組成來提高它們對細菌細胞膜的選擇性和滲透性，增強對蛋白酶的穩(wěn)定性，降低對人工紅細胞的溶血作用，增加生物藥效率。
肽 納 米 管 作 為 基 因 或 藥 物 載 體 的 研 究 已 有 報道。Li 等［35］將 NH2—Phe—Phe—NH2 二 肽 陽 離 子形成的肽納米管稀釋到濃度低于8mg /ml時，發(fā)現(xiàn)納米管自發(fā)地轉變形成表面靜電吸附帶負電荷 ssDNA的囊泡結構，通過細胞的內(nèi)吞作用進入細胞，從而實現(xiàn)將 ssDNA 傳 輸 到 細 胞 內(nèi) 的 過 程。環(huán) 肽 納 米 管 也可應用于藥物載體［36］，某些多肽自組裝納米管可以與細胞膜作用，生成傳遞 藥 物 分 子 的 通 道。Ghadiri等［38］合成了管 徑 為 10 的 十 環(huán) 肽 cyclo［L-Gln-( D-Leu-L-Trp) 4 -D-Leu］組裝的納米管，發(fā)現(xiàn)其在脂質(zhì)雙分子層膜中能 有 效 地 轉 運 葡 萄 糖 分 子［37］和 親 水 性物質(zhì)谷氨 酸。人 們 希 望 根 據(jù) 待 轉 運 藥 物 分 子 的 大小，設計尺寸合適的環(huán)肽，跨越脂質(zhì)雙分子層形成納米通道，運輸難以轉運的藥物分子進入細胞或組織，有望實現(xiàn)將難以跨膜吸收的活性分子開發(fā)成療效顯著的臨床藥物，對藥物生物利用度的提高和藥物不良反應的降低有著重要的意義。
將環(huán)肽納米管應用到抗菌藥劑和藥物傳遞制劑中，環(huán)肽在膜中自組裝成中空的納米管是至關重要的一步。探索自組裝過程的微觀機制在實驗上是比較困 難 的，MD 模擬則是一種有效的研究手段。Khurana 等［39］對 cyclo［( -L-Trp-D-Leu-) 4 ］的 二 聚 體在極性(水) 和非極性(壬烷) 溶劑中的行為進行了10 ns 的 MD 模擬，發(fā)現(xiàn)其二聚體僅在壬烷中保持穩(wěn)定，在水中所有的氫鍵最終被破壞，直到兩個環(huán)肽完全分開。具有兩親性的單環(huán)更易接近于壬烷 /水的界面，且更靠近壬烷，說明該納米管的自組裝很可能發(fā)生在膜雙分子層的疏水區(qū)域。為了進一步理解自組裝 的 機 理，2008 年，Khurana 小 組［40］ 采 用 CG( coarse-grained ) -MD 模 擬 cyclo ［( -L-Trp-D-Leu-) 4 -］2 在液-液界 面 的 自 組 裝，單 環(huán) 幾 乎 完 全 位于油-水界面的外表面，有序地形成二聚體、三聚體和四聚體，這些寡聚體重新結合進一步組裝成納米管，并且其管軸幾乎完全平行于界面。Chipot 等［41］提出了不同的假說，認為環(huán)肽在膜界面的自組裝只是初始階段的行為，形成的納米管插入到質(zhì)膜中，一旦界面的濃度達到合適值，質(zhì)膜的一段就被多肽納米管包裹并移走，從而形成了納米通道。目前尚未能通過理論模擬方法驗證這一假設。同樣采用 CGMD 方法，Hwang 等［42］進 行 了 100 ns 的 模 擬，驗 證了 cyclo［( -L-Trp-D-Leu-) 4 -］2 八肽納米管能夠插入脂 質(zhì) 雙 分 子 層，且 管 軸 與 膜 平 面 的 法 線 夾 角 為34. 2 °，與實測值基本一致［13］。他們認為環(huán)肽納米管在脂質(zhì)雙分子層發(fā)生傾斜是因為脂的親水性頭部與管的疏水性側鏈之間的相互作用導致的，傾斜角大小可能與納米管的長度有關［43］。
絕大多數(shù)肽納米管不具有磁性，因而在磁性材料的應用 上 受 到 限 制。Matsui 等［44］從 細 菌 中 提 取出磁性納 米 晶 體( Fe3O4 ) ，連 接 到 環(huán) 肽 納 米 管 模 板上，合成了一種新型生物磁性納米管。細菌磁性納米晶體在納米管內(nèi)排列成單一的線形鏈，與磁性納米線行為相一致。這篇報道給磁性多肽納米管的研究提供了新思路，拓寬了多肽納米管的應用范圍。
PNTs 外表面受所有的氨基酸殘基側鏈限制，其外表 面 性 質(zhì) 可 以 由 設 計 環(huán) 肽的結構來調(diào)節(jié)。Ashkenasy 等［45］開展了對環(huán)肽納米管的電學性質(zhì)研究，設計了帶 4 個陽離子側鏈的 D，L-α 氨基酸構成的環(huán)八肽，在氧化還原作用的激發(fā)下自組裝成穩(wěn)定的肽納米管。該 PNT 能 物 理 吸 附 在 羥 基 化 疏 水 熱解石墨和硅的氧化物等固體表面，且電子處于高度的離域狀態(tài)，這一特性使之可能應用到電傳感器的設計中。2005 年，Biesalski 等［46］在環(huán)肽側鏈修飾特定的引發(fā)基團，引發(fā) N-異丙基丙烯酰胺單體在肽納米管表面的聚合反應，形成了一種以肽納米管為核，高分子為外殼的混合材料，結構由多肽的種類決定，表面化學性質(zhì)由所選擇的高分子的性質(zhì)決定。該納米管具有低臨界溶解溫度特性，可能用于導電納米裝置的制備。這項工作提供了一種制造大量形狀穩(wěn)定的混合納米材料的新方法，這是通過其他方法很難實現(xiàn)的。組成納米管的環(huán)肽可以是不同種類的。Granja 等［47］合 成 了 以 γ-Acp 和 γ-Ach 為 結 構 單 元的 α，γ –環(huán)肽形成的異型二聚體，其產(chǎn)量是對應的同型二聚體的 30 倍，表明異型二聚體比它們的同型二聚體具有更好的穩(wěn)定性。他們聯(lián)合應用受激準分子和熒光共振能量轉移( FRET)方法報道了 α，γ –異型二聚體與同 型 二 聚 體 的 熒 光 信 號［48］。在 此 研究基礎 上，Granja 等［49］在 兩 種 α，γ 環(huán) 肽 外 表 面 上分別修飾一 個 電 子 受 體( C60 ) 和 一 個 電 子 供 體( 四硫富瓦 烯，exTTF) ，通 過 氫 鍵 獲 得 了 異 型 二 聚 體。穩(wěn)態(tài)光譜和時間分辨的發(fā)光光譜清楚地顯示電子從exTTF 轉移到光激發(fā)的 C60上的過程，表明此類環(huán)肽能成功用于捕光與光轉化混合體系的合成，可望用于納米管電池和分子開關的設計，其研究拓展了肽納米管的種類和應用。
鑒于已有各種不同結構、性質(zhì)特殊的環(huán)肽納米管相繼被合成，對環(huán)肽納米管結構及其潛在的應用研究也在 不 斷 深 入。Lewis 等［50］研 究 了 cyclo［( DAla-Glu-D-Ala-Gln) m］( m = 1—4 ) 納 米 管 體 系 的 電子結構、振動模式以及熱力學性質(zhì)，得到了 HOMO—LUMO 很大的帶隙( ～ 5. 0 eV) ，預測其可能 應 用 于獨 特 的 生 物 電 子 器 件 中。Parrinello 等［51］ 和Fukasaku 等［52］分別用 密 度 泛 函 理 論( DFT) 和 從 頭計算方法( ab initio)計算了 cyclo［(Gln-D-Ala-Glu-DAla) 2］納米管的能帶結構。帶隙約為 4 eV，推測該納米管是一種半導體。Sanyal 等［53］采用 DFT 方 法研究了過渡態(tài) 金 屬 原 子 Co 摻 雜 的 β-環(huán) 肽 納 米 管，獲得了 β-環(huán)肽的優(yōu)化結構、態(tài)密度和能帶結構。計算表明這類摻雜納米管具有帶隙很大的半導體性質(zhì)，同時，發(fā)現(xiàn) Co 摻 雜 的 β-PNTs 是 一 種 很 強 的 鐵磁性材料。
3 環(huán)肽納米管的研究前景
環(huán)肽納米管作為一個新興的研究領域，表現(xiàn)出優(yōu)越的性能和廣闊的發(fā)展空間，但在應用上還面臨很多的挑戰(zhàn)，各方面的研究還有待進一步完善。隨著實驗技術和計算機軟、硬件的快速發(fā)展，對其研究也逐步深入。在今后的研究中，一方面繼續(xù)尋找新的具有特殊功能的環(huán)肽納米管，另一方面是加深對機理的探討，以拓展肽納米管日益廣闊的應用前景。
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