羰基还原酶可将前手性的羰基化合物转化成对应的手性醇,而手性醇作为许多药物、精细化学品中间体,有着重要和广泛的应用。羰基还原酶的底物谱是表征其催化性能和应用价值的重要评价指标之一,对羰基还原酶级联反应的动力学模拟则可以更加深入的研究反应的本质问题。本文通过 3D-QSAR(Three-Dimensional Quantitative Structure Activity Relationship)方法研究了单个羰基还原酶与其催化底物之间作用的结构-功能关系,包括酶与底物的相互作用及酶对底物的活力预测,并通过数据库虚拟筛选的手段筛选新底物。另一方面,本课题通过反应动力学模拟的手段,研究羰基还原酶与胺脱氢酶双酶级联反应,实现环己醇到环己胺的转化反应的优化。根据实验室前期的研究,从枯草芽孢杆菌ECU0013中分离得到一个NADPH依赖型的羰基还原酶YtbE,它对很多羰基化合物都有着较高的立体选择性。本课题构建了3D-QSAR模型研究酶与底物之间的定量构效关系,得到的CoMFA(Comparative Molecular Field Analysis)和 CoMSIA(Comparative Molecular Similarity Indices Analysis)两种模型,其交叉验证系数Q2(0.623,0.601)表明构建的模型有着较好的稳健性和预测能力。通过分子场轮廓图分析方法对YtbE与不同底物之间的结构功能关系进行了研究,证明了静电作用和疏水作用在分子力场中起最重要的作用,其对活力的贡献因子分别为0.378和0.384。进一步地,我们利用ZINC15分子数据库进行虚拟筛选,拓展了 YtbE的底物谱。针对筛选得到77个未经报道的有催化活力潜力的底物,按照活力梯度从前25个化合物中选了 5个进行实验验证,成功筛选到了具有催化活力的化合物,进一步验证了模型的准确性。研究证明3D-QSAR模型辅助酶活力预测的方法能够实现YtbE的底物谱拓展。为了深入挖掘羰基还原酶的应用潜力,我们研究了羰基还原酶与胺脱氢酶的偶联反应。借助计算机辅助的方法,对级联反应整个过程进行了定量模拟与实验验证,构建了親基还原酶(ScCR)和新型胺脱氢酶(AmDH)双酶级联反应的动力学模型。利用单一变量实验优化了最适酶浓度、反应转速、最佳助溶剂比例等非模型变量。模型构建过程中重点考虑了辅酶循环、逆反应等问题。利用这一模型可以更加精细地分析反应过程,针对目标反应设计虚拟优化获得更精细的反应条件。通过反应动力学模型优化,在反应条件下实现了辅酶添加浓度和两种不同状态辅酶比例的虚拟优化,以获得最大化的产物得率。与湿实验结果进行比较发现,该模型拟合效果和实验结果趋势一致,可用于酶的级联反应优化。后续可在酶的稳定性等方面对模型做进一步的改进,有望在多酶反应系统优化等领域得到广泛的应用。