蛋白质的设计改造，尤其是金属蛋白的设计，是蛋白质研究一大热点。近年来，金属蛋白的设计和催化领域涌现了很多新方法新技术，基于这些新技术得到了具有新颖催化活性或者高鲁棒性的金属酶。由于部分天然金属酶活性中心结构复杂，天然氨基酸难于模拟；理性设计得到的金属酶由于氧化还原系统没有优化，活性远低于天然蛋白。我们着眼于这些潜在的挑战，通过发展非天然氨基酸进行蛋白质理性设计的研究工具，以肌红蛋白为骨架，构建了细胞色素c氧化酶的模型蛋白；基于模型蛋白，研究了关键残基的作用、表征了氧气激活过程中的反应中间体，阐述天然蛋白的机理和电子传递过程；通过电子传递的优化，在国际上首次在人工设计的金属酶中实现了超过天然酶的酶活。通过人工金属酶的理性设计，实现了从创造到理解的循环。