围绕国内外生物催化研究热点，以发掘新型高效的酶催化元件以及揭示其反应机理为目标，综合运用生物信息学、分子生物学和合成生物学理论和方法，发掘和鉴定来源多样的酶催化元件，研究酶催化系统的反应特性及其机理，丰富酶学和合成生物学的资源库，为酶的分子设计与改造提供坚实的理论支撑和有效的方法、技术和手段，以期获得具有优良特性的可以用于工业生物催化的酶或复合物。

（1）酶挖掘与鉴定

以微生物（如：细菌、真菌、古生生物以及非可培养的微生物）、动物和植物为研究对象，通过富集培养驯化技术、宏基因组技术、基因组挖掘技术，获取具有特定功能的新型酶基因或者基因文库；建立高通量或超高通量筛选技术（包括微孔板技术、显色技术、微流控和流式细胞仪筛选技术等），筛选鉴定出新型高效的酶催化元件；研究新型酶催化元件的催化特性，包括其活性、稳定性、催化底物的特异性和选择性等。

（2）酶挖掘新方法

开发快速、高效的酶挖掘新方法，以飞速增长的基因组序列公共数据库为研究对象，研究新型的计算机虚拟筛选技术，通过生物信息学的手段对酶的功能进行准确快速的预测，并通过高通量的虚拟筛选获得全新高效的酶催化元件；以特定的目标反应为导向，开发基于物理化学和立体化学构象的新算法或软件，根据反应催化机理设计过渡态模型，从基因组序列公共数据库筛选出具有特殊性能的功能序列，从而发掘出尚未发现的新型酶催化剂元件，能够以高度的专一性和活性完成特定催化反应。

（3）酶催化反应机理

利用现代 X 射线衍射晶体学、高分辨核磁共振技术、原子力显微镜和冷冻电镜等技术手段解析酶蛋白分子、酶-底物分子复合物的空间结构，发现酶蛋白分子的关键功能域；通过紫外、荧光、圆二色谱、傅里叶红外、电子顺磁共振等现代光谱学手段对酶生物催化过程中的活性中心、底物、产物以及反应中间体进行表征，探究生物催化机理；通过快速截留光谱、动力学同位素探针等技术监测生物催化反应的快速反应动力学过程；通过等温量热滴定、表面等离子共振等技术监测生物催化反应的热力学过程。此外，基于对生物催化系统热/动力学的深入认识，解析内在/外在因素影响酶促反应的本质和规律，发展增强酶催化反应性能的理性调控新策略。