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(luò)氫鍵，以 β-片層反平行方式堆積可形成中空管狀結(jié)構(gòu)。通過控制環(huán)肽的結(jié)構(gòu)和尺寸，或修飾具有不同功能的基團(tuán)，可獲得多種結(jié)構(gòu)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(yīng)用研究成果。首先介紹了帶合適疏水性側(cè)鏈的環(huán)肽納米管在模擬生物跨膜離子通道方面的實(shí)驗(yàn)和理論研究進(jìn)展，重點(diǎn)論及環(huán)肽納米管的結(jié)構(gòu)、極性和側(cè)鏈的疏水性等對(duì)離子通道傳輸行為的影響以及分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬研究水通道的進(jìn)展。進(jìn)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(xué)性和磁性)納米材料合成制備生物傳感器的實(shí)驗(yàn)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(yīng)用前景，特別是在某些抗菌和抗感染藥物開發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用以及環(huán)肽在不同極性環(huán)境中自組裝過程微觀機(jī)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(shí)驗(yàn)和理論研究進(jìn)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(gè)數(shù)與種類或修飾上某些基團(tuán)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(duì)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(xué) 、生物化學(xué)、材料科學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的、廣闊的應(yīng)用前景［9—13］，是近年來納米材料的研究熱點(diǎn)之一。
2 環(huán)肽納米管的應(yīng)用研究
在生物體系中，細(xì)胞或細(xì)胞器通過生物膜與外界進(jìn)行物質(zhì)交換，選擇性地吸收所需要的養(yǎng)料，同時(shí)排出廢物以維持正常的功能。一些離子、相對(duì)較大的極性或帶電分子的運(yùn)輸主要通過載體蛋白和離子通道蛋白的介導(dǎo)。中空管狀結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)［14，15］發(fā)現(xiàn)，具有合適疏水性側(cè)鏈的環(huán)肽能快速進(jìn)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(yùn)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(jié)構(gòu)通過分子間氫鍵以平行方式堆積，導(dǎo)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(dǎo) 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(cè) 對(duì) 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(qiáng)的質(zhì)子傳輸能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明它們能有效運(yùn)輸K + ，傳導(dǎo)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(dòng) 力 學(xué)(molecular dynamics，MD) 方 法 可 以 觀 察 離 子 或 分子在納米管中運(yùn)動(dòng)的微觀過 程［20—23］。計(jì) 算 機(jī) 的 高速發(fā)展使得 MD 模擬可達(dá)到幾十萬個(gè)原 子、數(shù) 百 納秒，采用某些近似處理方法，甚至可以達(dá)到微秒級(jí)。Cheng 等［24］用 MD 方法模擬了 cyclo［(1R，3S) -γ -Acc-D-Phe］3 自組 裝 的 PNT 對(duì) CHCl3 的 吸 附 過 程，研究結(jié)果表明該環(huán)肽的四聚體結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，且能進(jìn)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(jìn)口和出口處有約2. 4kcal / mol的能壘，在管中間存在勢(shì)阱。對(duì) Na + 的模擬產(chǎn)生較多且深的勢(shì)阱，表明 Na + 在管內(nèi) 的 停 留 時(shí) 間 更 長(zhǎng)，K + 比 Na + 的透過率高。在不同介質(zhì)中形成的 PNTs 對(duì)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(duì) Na + 的滲透性，水環(huán)境中形成的 PNT 中部有一個(gè)很深的勢(shì)阱，Na +可以很容易進(jìn)入納米管，但一旦進(jìn)入不易再出來;在膜環(huán)境 下 形 成 的 PNT 中，勢(shì) 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(duì)離子的通透性不僅與它自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與它周圍的環(huán)境有關(guān)。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(duì)稱分布產(chǎn)生跨膜電勢(shì)，從而模擬真實(shí)生物條件下離子在環(huán)肽納 米 管 中 的 運(yùn) 動(dòng)，估 算 出 Na + 在 cyclo［( -Trp-DLeu-) 6］十二肽納米管中的電導(dǎo)為 186 ps，與在 cyclo［( -Trp-D-Leu-) 4］八 肽 納 米 管 中 實(shí) 測(cè) 的 電 導(dǎo) 值 55ps［14］相 比 基 本 合 理。Engels 等［28］進(jìn) 行 了 0. 76 ns的動(dòng)力學(xué)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(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示水在管中 形 成 了 一 種 交 替 式 的“1—2”水 分 子 結(jié)構(gòu)，即每個(gè)多肽環(huán) C α 形成的平面內(nèi)有一個(gè)水分子，而每?jī)蓚�(gè)多肽環(huán)之間有兩個(gè)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(yùn)動(dòng)，管中的水分子以協(xié)同的方式運(yùn)動(dòng)且流動(dòng)不具有方向性，在模擬過程中，納米管中的水鏈會(huì)間歇性地?cái)嚅_，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(xué)性和磁性) 納米材料固定在生物大分子上，能夠形成對(duì)特定種類化學(xué)物質(zhì)或生物活性物質(zhì)具有選擇性和可逆響應(yīng)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(tuán)，使靈敏度大幅提高，縮短檢測(cè)時(shí)間，是一種潛在的極具應(yīng)用前景的生物傳感器分子識(shí)別元件。某些表面具有羥基或羧基等基團(tuán)的環(huán)肽納米管可作為生物傳感器的模板，因?yàn)樗鼈儾恍枰魏伪砻嫘揎椌湍芨街繕?biāo)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(jié)合，制備了電化學(xué)免疫傳感器并進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)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(duì)特定抗原，能同時(shí)用于實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)操作的電化學(xué)免疫傳感器。修飾的環(huán)肽納米管可以用于構(gòu)造各種不同的高敏感性傳感器，結(jié)構(gòu)的生物兼容性和化學(xué)靈活性 能 夠 使 它 們 應(yīng) 用 于 免 疫 測(cè) 定 和 電 化 學(xué) 探 測(cè)。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(luò) 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(jìn)入管內(nèi)，這種多肽納米管能夠識(shí)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(duì)生物無毒害，故在新抗菌藥劑和細(xì)胞毒藥物的研發(fā)中展 現(xiàn) 出 極 好 的 應(yīng) 用 前 景［33］。環(huán) 肽 子結(jié)構(gòu)通過酶的不穩(wěn)定鍵能進(jìn)入特定的細(xì)胞靶向點(diǎn)，在特定的細(xì)胞識(shí)別部位，目標(biāo)基團(tuán)的斷開導(dǎo)致多肽濃度增加，從而有利于納米通道的形成，引起細(xì)菌細(xì)胞膜兩邊的離子勢(shì)發(fā)生變化，使細(xì)胞快速死亡，這一特性已被應(yīng)用于某些抗菌和抗感染藥物的設(shè)計(jì)［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(xì)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(qiáng)的溶血作用，限制了它 們 的 應(yīng) 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(duì)細(xì)菌細(xì)胞膜的選擇性和滲透性，增強(qiáng)對(duì)蛋白酶的穩(wěn)定性，降低對(duì)人工紅細(xì)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(bào)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(shí)，發(fā)現(xiàn)納米管自發(fā)地轉(zhuǎn)變形成表面靜電吸附帶負(fù)電荷 ssDNA的囊泡結(jié)構(gòu)，通過細(xì)胞的內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)將 ssDNA 傳 輸 到 細(xì) 胞 內(nèi) 的 過 程。環(huán) 肽 納 米 管 也可應(yīng)用于藥物載體［36］，某些多肽自組裝納米管可以與細(xì)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(zhuǎn) 運(yùn) 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(zhuǎn) 運(yùn) 藥 物 分 子 的 大小，設(shè)計(jì)尺寸合適的環(huán)肽，跨越脂質(zhì)雙分子層形成納米通道，運(yùn)輸難以轉(zhuǎn)運(yùn)的藥物分子進(jìn)入細(xì)胞或組織，有望實(shí)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(duì)藥物生物利用度的提高和藥物不良反應(yīng)的降低有著重要的意義。
將環(huán)肽納米管應(yīng)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(guān)重要的一步。探索自組裝過程的微觀機(jī)制在實(shí)驗(yàn)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(duì) 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(jìn)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(gè)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(jìn)一步理解自組裝 的 機(jī) 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(jié)合進(jìn)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(rèn)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(dá)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(yàn)證這一假設(shè)。同樣采用 CGMD 方法，Hwang 等［42］進(jìn) 行 了 100 ns 的 模 擬，驗(yàn) 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(shí)測(cè)值基本一致［13］。他們認(rèn)為環(huán)肽納米管在脂質(zhì)雙分子層發(fā)生傾斜是因?yàn)橹挠H水性頭部與管的疏水性側(cè)鏈之間的相互作用導(dǎo)致的，傾斜角大小可能與納米管的長(zhǎng)度有關(guān)［43］。
絕大多數(shù)肽納米管不具有磁性，因而在磁性材料的應(yīng)用 上 受 到 限 制。Matsui 等［44］從 細(xì) 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(xì)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(bào)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(yīng)用范圍。
PNTs 外表面受所有的氨基酸殘基側(cè)鏈限制，其外表 面 性 質(zhì) 可 以 由 設(shè) 計(jì) 環(huán) 肽的結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)。Ashkenasy 等［45］開展了對(duì)環(huán)肽納米管的電學(xué)性質(zhì)研究，設(shè)計(jì)了帶 4 個(gè)陽離子側(cè)鏈的 D，L-α 氨基酸構(gòu)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(yīng)用到電傳感器的設(shè)計(jì)中。2005 年，Biesalski 等［46］在環(huán)肽側(cè)鏈修飾特定的引發(fā)基團(tuán)，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(yīng)，形成了一種以肽納米管為核，高分子為外殼的混合材料，結(jié)構(gòu)由多肽的種類決定，表面化學(xué)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(dǎo)電納米裝置的制備。這項(xiàng)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(shí)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(jié) 構(gòu) 單 元的 α，γ –環(huán)肽形成的異型二聚體，其產(chǎn)量是對(duì)應(yīng)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(yīng)用受激準(zhǔn)分子和熒光共振能量轉(zhuǎn)移( FRET)方法報(bào)道了 α，γ –異型二聚體與同 型 二 聚 體 的 熒 光 信 號(hào)［48］。在 此 研究基礎(chǔ) 上，Granja 等［49］在 兩 種 α，γ 環(huán) 肽 外 表 面 上分別修飾一 個(gè) 電 子 受 體( C60 ) 和 一 個(gè) 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(shí)間分辨的發(fā)光光譜清楚地顯示電子從exTTF 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化混合體系的合成，可望用于納米管電池和分子開關(guān)的設(shè)計(jì)，其研究拓展了肽納米管的種類和應(yīng)用。
鑒于已有各種不同結(jié)構(gòu)、性質(zhì)特殊的環(huán)肽納米管相繼被合成，對(duì)環(huán)肽納米管結(jié)構(gòu)及其潛在的應(yīng)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(jié)構(gòu)、振動(dòng)模式以及熱力學(xué)性質(zhì)，得到了 HOMO—LUMO 很大的帶隙( ～ 5. 0 eV) ，預(yù)測(cè)其可能 應(yīng) 用 于獨(dú) 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(jì)算方法( ab initio)計(jì)算了 cyclo［(Gln-D-Ala-Glu-DAla) 2］納米管的能帶結(jié)構(gòu)。帶隙約為 4 eV，推測(cè)該納米管是一種半導(dǎo)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(jié)構(gòu)、態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)。計(jì)算表明這類摻雜納米管具有帶隙很大的半導(dǎo)體性質(zhì)，同時(shí)，發(fā)現(xiàn) Co 摻 雜 的 β-PNTs 是 一 種 很 強(qiáng) 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(gè)新興的研究領(lǐng)域，表現(xiàn)出優(yōu)越的性能和廣闊的發(fā)展空間，但在應(yīng)用上還面臨很多的挑戰(zhàn)，各方面的研究還有待進(jìn)一步完善。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟、硬件的快速發(fā)展，對(duì)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(duì)機(jī)理的探討，以拓展肽納米管日益廣闊的應(yīng)用前景。
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