具有光学活性的内酰胺类化合物广泛存在于多种生物活性物质中,是合成高分子等复杂结构的重要中间体。利用转氨酶催化不对称合成手性胺类化合物具有步骤简单、收率高、对映选择性高、副产物少等优点。理论上转氨酶催化不对称合成手性胺的转化率可到100%,这使得转氨酶在催化合成这类化合物上有广泛的应用前景。（S）-5-甲基-2-吡咯酮（（S）-5-methyl-2pyrrolidone）是一类具有手性的γ-内酰胺类化合物,这类小分子化合物常被用作生产工业催化剂或医药中间体（如氨基酸肽酶抑制剂）等具有商业应用价值的化学品。本论文采用ω-转氨酶（ω-transaminase,ωTA）催化不对称合成（S）-5-甲基-2-吡咯酮,通过对酶的催化性能进行改造和向反应体系中引入添加剂这两种方式,分别优化酶法合成（S）-5-甲基-2-吡咯酮的反应。通过生物仿生固定化的手段,提高酶在催化反应过程中的稳定性,重复多次使用以降低工业催化成本。首先围绕ω-转氨酶催化不对称合成5-甲基-2-吡咯酮这一反应,通过同源序列比对在基因库中筛选可以催化该反应转氨酶。选择来自巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）中的转氨酶BM-ωTA,在大肠杆菌BL21（DE3）中成功的表达,在IPTG终浓度0.01 mM,诱导温度为16℃下可以成功得到半可溶半包涵的蛋白,酶活力为1.5 U/mg。随后,对该转氨酶催化手性内酰胺的催化性能进行验证,在辅因子PLP（5’-磷酸吡哆醛）存在下,BM-ωTA催化该反应产物转化率为8.7%。对反应条件做进一步的优化,在反应48 h后成功将转化率提升至47.7%,并可得到对映体过量值（e.e.p）为99.0%的（S）-5-甲基-2-吡咯酮。BM-ωTA催化获得的（S）-5-甲基-2-吡咯酮具有很高的立体选择性,接下来对反应的转化率进行优化。对BM-ωTA的催化性能进行改造,利用分子对接分析酶与配体结合产生的相互作用。选择突变60位的酪氨酸（Tyr60）,通过饱和突变获得7个突变体,使用突变体催化手性内酰胺反应,发现突变后的BM-ωTA（Y60C）酶活力提升至3.6 U/mg。在反应36 h后与野生型催化该反应的转化率基本持平,产物的转化率为46.8%,缩短12 h的反应时长,并且突变后催化反应没有改变产物的高立体选择性。之后,向反应体系中引入醇类、多元醇类、酰胺类和多糖类等添加剂。其中,当向反应体系中加入2.5%,v/v的甲酰胺时,对反应产物的转化率影响的幅度最大,可将产物的转化率提升至65.7%,并且立体选择性不变。酶在实际生产应用中存在一些缺点,如成本过高、无法重复使用等。本论文采用一种快速便捷的仿生固定化方法,仿照生物的矿化过程,以硅粒子作为无毒害的固定化载体,对游离酶进行包埋。我们选择BM-ωTA及其突变体和本实验室构建的转氨酶TABs进行仿生硅固定化,该过程无需添加其他的偶联剂,依赖于转氨酶上存在的大量碱性氨基酸,诱导硅酸盐前体形成二氧化硅纳米粒子进而将酶包埋于其中。经过条件的优化后,得到的固定化酶BM-ωTA-SPs、BM-ωTA（Y60C）-SPs和6His-TABs-SPs 的固定化效率分别为92.4±2.7%、90.9±2.2%和94.3±2.8%;活力回收分别为134.4±3.5%、81.8±3.2%和102.7±2.3%,并且 3种固定化酶重复6次使用后仍然能保持50%以上的相对活力,表明本研究采取的固定化方法可以使酶这种生物催化剂在实际生产中能够在保持活力的同时重复使用。本论文围绕转氨酶催化不对称合成手性内酰胺反应,拓展酶在催化转氨反应上的应用,为生物催化（S）-5-甲基-2-吡咯酮提供更多酶源。通过对酶催化性能的改造和引入添加剂的方式,在不改变产物高立体选择性的基础上对酶催化反应转化率进行优化。采用生物仿生固定化手段提高酶在工业催化上的重复使用性,达到节约成本的目的。