手性γ氨基酸由于各种生物活性,被广泛应用于合成药物以及药物中间体。尽管他们在临床上具有非常重要的作用,但是通过化学方法合成这些分子仍然受到多方面限制。生物催化凭借着催化效率高、空间选择性强、环境友好等优势在有机小分子合成研究方面有着巨大的前景。目前已经有不少天然或者人工改造的酶被用于合成各种有机小分子,大量的酶合成法已经被用于合成手性γ氨基酸或其前体,如:脂肪酶,转氨酶,烯还原酶,腈酶等。研究表明:来自Synechocystis sp.strain PCC 6803的腈酶（Ss NIT）能够不对称催化3-取代戊二腈生成光学活性的3-取代-4-氰基丁酸,而后者可以通过进一步被转换成（S）-普瑞巴林和（R）-巴氯芬。对其活性位点残基进行突变后,获得了一系列活性增强的突变体,其中三突变体P194A/I201A/F202V具有很高的活性（相对活性为野生型20.85倍）和立体选择性,而双突变体H141D/F202V却完全失活。但是,构成这两种截然不同的活性变化的分子机制仍然不清楚。基于实验数据,我们希望通过利用分子对接、分子动力学模拟和结合自由能等理论方法对分子层面的原因进行研究。结果表明,三突变体残基能够和底物形成比较稳定的氢键（氢键存在率大于1）,Gly195是形成氢键的主要残基;野生型氢键存在率较低;而双突变体H141D/F202V几乎不存在氢键。对催化关键残基Cys169的S原子（亲核进攻原子）与底物活性碳原子(C₁₃)的距离分析显示,三突变体的距离明显低于野生型和双突变体,距离的缩短可能有利于催化残基与底物发生反应。同时我们调查了Cys169的二面角S-C_β-C_α-N发现,三突变体的二面角维持在-60°,而野生型和双突变体则维持在-180°,这个角度的变化可能在空间上促进了底物C₁₃与催化Cys169的S原子的接近。通过结合自由能,我们发现三突变体与底物结合自由能高达-111.286k J·mol^-1,而野生型和双突变体结合自由能则相对较低,分别为-86.383和-88.916 k J·mol^-1。通常结合自由能越大,表明底物与酶结合越紧密,越容易进入酶的活性位点,发生反应的概率越大。最后,对自由能面图进行取样,我们发现三突变体中,残基His141相比于野生型发生了大约102°的翻转,这一变化可能排斥配体使其接近催化残基Cys169。此外,双突变体和三突变体Trp170残基的吲哚环构象也发生了非常明显的变化:在三突变体中,Trp170的吲哚环相对于野生型向下旋转推动配体接近Cys169,与底物的苯环形成了π-π堆积,这一结果还使得配体与Val202的异丙基接近从而形成p-π堆叠。这两种相互作用可能稳定了底物的苯环,其结果是Cys169的硫原子与底物的C₁₃原子距离保持相对低的数值。对产物的抑制作用我们也进行了研究,结果表明,野生型由于产物分子较高的亲和力使得产物不易从活性位点解离从而野生型表现出明显的产物抑制。而在三突变体中,产物的亲和力不如底物,因此产物分子不易与底物竞争活性位点,所以三突变体具有较高的活性。造成这种差异的原因是由于在野生型中,残基His141与产物分子形成了很强的π-π堆积和p-π堆叠相互作用,使得产物分子非常稳定地结合在活性位点。而三突变体由于I201A和F202V被突变为较小的基团,产物分子能够与Gly195形成多个氢键,有利于产物分子的释放。在本文中,我们的模拟结果有部分数据与实验结论相一致,此外,我们通过模拟能够发现一些实验未曾报道的残基。这些残基可能在底物催化过程发挥着重要作用,它们可能被用于对Ss NIT的改造来进一步的提高酶的催化效率,最终使Ss NIT能够被用于在工业上大规模生产手性γ氨基酸及其衍生物。