针对酶资源挖掘工作所获得的酶分子，以生物催化酶元件为研究对象，综合运用理性和非理性蛋白质定向进化技术、晶体衍射技术、冷冻电镜技术、计算生物学、生物反应热/动力学和分子生物学等技术，对特定的酶进行分子水平的改造，研究酶分子催化底物的特异性识别机制和催化机理，探索酶蛋白分子空间构象和其功能的相互关系，为筛选或创制催化效率高、性能优良的酶及其在合成生物学中的应用提供理论支撑和技术支持。

（1）酶的非理性改造

以生物催化和生物转化过程中的酶分子为研究对象，综合现代分子生物学技术和非理性的蛋白质定向进化策略（如：易错PCR、DNA Shuffling、sequential epPCR、SeSaM、饱和突变和序列饱和突变等）对特定的酶分子进行改造，并与开发的高通量筛选技术（微孔板技术、显色技术、微流控和流式细胞仪技术等）相结合，有效地对突变体库进行筛选，获得催化性能提高的高效突变体，为生物催化和合成生物学的发展提供高催化活力、高稳定性与选择性的酶分子催化元件，以满足工业化生产的需要。

（2）酶的理性改造

以生物催化和生物转化的过程中的酶分子为研究对象，综合现代分子生物学技术和基于蛋白质结构的理性定向进化策略(如：CASTing、B-factor 饱和突变、ISM迭代饱和突变和精简密码子饱和突变等），并与计算机辅助设计技术（分子对接、分子建模、分子模拟和量子力学/分子力学等技术）相结合，构建小而精“智能”突变体库，通过有限的筛选（液相色谱、气相色谱等）获得催化性能提高的突变体，并通过晶体衍射技术、冷冻电镜技术和计算生物学研究突变体的结构变化与功能转变的规律，为进一步的酶分子理性改造提供理论和技术支持。

（3）人工酶设计

综合现代计算生物学（分子建模、分子动力学模拟、量子力学/分子力学和 Rosetta 等技术）、物理化学、立体化学和高通量DNA 测序以及基因合成等技术，开发快速高效的人工酶从头合成新技术，以特定的目标反应为导向，根据反应催化机理设计过渡态模型，构建出具有特定催化性能的蛋白序列和基因序列，从而获得自然界没有的新型酶催化剂元件，用于催化一系列天然酶无法催化的非天然反应。此外，可以结合酶的理性或非理性改造对人工酶进行改造，提高其催化活性、稳定性和选择性等。最终为准确、便捷、高效快速人工酶技术的建立提供理论和技术支持，为生物催化和合成生物学的发展提供非天然的酶催化元件。