蛋白质与其底物分子之间的特异性相互作用是蛋白质在生物体内实现其功能的物质基础之一。蛋白质和底物分子识别特异性的设计、改进和综合应用在蛋白质工程和合成生物学中备受关注。本文对分别在识别特异性的设计、改进和综合应用方面做出了讨论,尝试着在理论和实验上找到更高效的策略。在蛋白质与其底物分子识别特异性设计方面,我们以蛋白质和小分子结合特异性为研究对象，讨论特异性设计的理论方法,即如何针对特定的小分子找到一个蛋白质界面可以和它特异性的结合。特异性界面的设计是蛋白质功能性设计的主要问题之一。现有的打分方式只对蛋白质和目标小分子复合物的稳定性进行评价,不能很好的评估蛋白质和小分子结合的特异性。负向设计（negative design）虽然可以一定程度上解决这个问题,但是竞争小分子的选择成了一个无法回避的问题。我们这里采取另外一种策略,即优化蛋白质和小分子之间的每个局部相互作用。如果保证蛋白质和小分子之间的每个局部相互作用都达到最优的状态,就可以保证总体上蛋白质和小分子的复合物具有很好的稳定性。同时,小分子上的任意改变都会使局部相互作用的强度下降而带来稳定性的下降，使设计出来的蛋白质可以和目标小分子特异性识别。基于这个想法,我们发展了一种基于遗传算法的两相设计策略对小分子和蛋白质相互作用界面进行设计,并通过对已知结构相互作用界面的重新设计进行检验。我们用X-score对设计结果的稳定性和特异性进行评估,并和天然结构,以及以复合物稳定性为优化目标的,即单相优化,设计结果进行比较。通过比较,我们发现,由两相设计策略得到结果和小分子结合的稳定性与天然蛋白,以及和单相优化结果都是相似的,基本上在一个量级。而特异性上,通过两相优化的结果比天然结构和通过单相优化得到的结构有更好的表现。相对于天然结构,两相优化的结果其特异性提高平均在1～2个量级,最高6个量级。从而,我们发展了一个更适于蛋白质和小分子特异性识别的蛋白质设计策略。在蛋白质与其底物分子特异性相互作用的改进方面,我们以优化抗体和抗原的结合力策略为研究对象,希望找到通过新技术和计算工具对抗体成熟策略进行改进的方法。抗体成熟是抗体药物从发现到临床引用最重要的步骤之一。它通过在具有抗原结合特异性的原始抗体的基础上进行突变,建立突变库。通过高通量筛选、半定量和定量检测,找到亲和力提高的突变体。筛选的结果和工作量依赖于突变库的效率和质量。而由于成本和工作量的限制,传统的寡聚核苷酸合成和DNA测序的方法,不能构建出符合需求的突变库，同时突变库的质量也无法控制。我们以高通量寡聚核苷酸合成和高通量测序为基础,找到一种构建高质量突变库的方法。首先,以原抗体氨基酸序列为出发点,通过生物信息学方法找到与其CDR区同源的序列,通过多序列比对对每个带突变位点的突变范围进行定义。然后引入赝核苷酸编码通过高通量合成得到突变库,通过高通量测序及测序结果分析对突变库的质量进行评估,同时也通过评估的结果改进合成策略,重新合成,这样循环下来可以得到高质量的突变库。我们以A21为模板,构建出了位置饱和微扰且均一的突变库。同时我们也试图通过对筛选前和筛选后的突变库分别进行高通量测序,通过对每个突变体富集比例的计算确定抗体亲和力的提高倍数,验证实验还在进一步进行中。在蛋白质与其底物分子特异性相互作用的综合利用方面,我们以蛋白质和DNA相互作用为研究对象,希望基于现有的理论和实验方法找到更多特异性识别的蛋白质和DNA序列以及新的组合模式通过这些调控实现更复杂的动力学行为。我们通过对乳糖阻遏蛋白及其结合DNA序列三维结构的分析得到对识别特异性起到关键作用的位点,通过理论和实验上对位点进行饱和突变,并检验对新的DNA序列的识别情况,找到新的蛋白质和DNA识别组合。接下来,我们通过理论模型找到实现“与”逻辑运算和“或”逻辑运算在所必需的参数范围,并在实验上满足参数要求,成功在细菌内构建逻辑计算元件和逻辑计算网络。通过以上方法,为合成生物学提供了更多的生物组件。