金属蛋白（Metalloproteins）是生物必需的大分子,在维持结构稳定、化学信号传递和催化代谢等方面起到重要的作用。蛋白质的理性设计（Rational design）是揭示决定蛋白质结构与功能的有用工具。血红素蛋白（Hemoproteins）在金属蛋白中有举足轻重的地位,我们选择了具有代表性的肌红蛋白（Myoglobin,Mb）作为研究对象,探究蛋白质的结构-性质-反应-功能（Structure-Property-Reactivity-Function,SPRF）之间的关系。在之前的一项研究中,我们设计了抹香鲸肌红蛋白（swMb）的单突变体F43Y Mb,该蛋白形成了一个新的Tyr-heme共价连接。在本论文中,我们通过进一步研究发现,F43Y Mb可以有效地催化吲哚氧化生成靛蓝,其产量高达54%,而此前文献报道的生物催化生成靛蓝的最高产量仅为20%。通过进一步修饰血红素活性位点,我们设计了F43Y/H64D Mb的双突变体,该蛋白在设计的人工在Mb酶中表现出最高的催化效率(198 M^-1s^-1)。此外,我们发现F43Y Mb和F43Y/H64D Mb对生成靛蓝的化学选择性均能高达80%。基于该反应体系,我们建立了一种简单绿色的靛蓝染色方法,即在靛蓝生物合成过程中对棉织品进行染色。还可以将生物合成靛蓝浓缩喷洒在棉织品上,进一步加深颜色。该方法绿色环保,不需要添加任何还原剂。该方法的成功应用进一步表明了设计的酶和染色方法在未来有实际应用。另外,我们还成功地在F43Y Mb基础上,在67位引入了Arg,构建了双突变体蛋白F43Y/T67R Mb,并且成功地培养出了该蛋白的晶体,X射线单晶衍射解析了其晶体结构。结果显示蛋白Tyr43与血红素4位乙烯基形成了两个共价键,构成了一个五元环结构。F43Y/T67R Mb的紫外光谱和质谱也说明了Tyr43与血红素4位乙烯基形成了特殊的连接。同时,我们发现F43Y/T67R Mb在pH 5.5环境下具有很高的过氧化酶催化活性,可以与天然辣根过氧化物酶相媲美。本论文的研究发现为人工设计出具有优越功能的血红素蛋白提供了新方法,也为阐明蛋白质SPRF之间关系提供了新思路。