近年来,人工酶催化的蓬勃发展为可持续有机合成化学提供了新颖的策略,分子的激发态光化学反应能解决许多经典热化学难以完成的成键问题,是不可替代的有机合成手段。光生物催化集酶促反应和光反应的优势为一体,在重要有机分子的构建上展示出了独特诱人的应用前景,已经成为有机合成化学的研究前沿。目前,数量有限、结构复杂的天然光活性辅酶是开发光生物催化有机合成的显著制约因素,对天然辅酶的依赖性从根本上限制了酶促反应的类型。通过化学方法或基因工程技术将小分子化学光敏剂引入到蛋白骨架构建全新的非天然光催化酶活中心,是拓展光生物催化的底物类型和反应多样性的重要思路之一。本文以发展新型高效光敏酶催化体系为目标,利用化学修饰方法以及基因密码子扩展技术将二苯甲酮、噻吨酮等非天然有机光敏基团引入天然蛋白骨架构建新型人工光敏酶,并将其应用于烯烃[2+2]环加成反应、芳基卤化物交叉偶联及芳基卤化物直接还原脱卤等重要有机反应。主要内容总结如下:（1）基于化学方法将噻吨酮（Thioxanthone,TXO）共价修饰在牛血清白蛋白（Bovine serum albumin,BSA）表面,构建出人工光敏酶BSA-TXO,解决了噻吨酮聚集淬灭降低催化活性的问题。基于BSA-TXO发展出光生物催化烯烃分子间交叉[2+2]环加成反应策略,有效解决了查尔酮类分子受激发后易发生E/Z异构化反应的问题,以优异的产率和良好的非对映选择性制备了一系列官能化环丁烷化合物。（2）通过基因密码子扩展技术将二苯甲酮非天然氨基酸光敏剂插入绿色荧光蛋白（Green fluorescent protein,GFP）,并通过定点突变引入半胱氨酸用于锚定非天然Ni辅因子,构建了含有机光催化活性基团的光敏金属酶PSP-Ni II（bpy）（Photosensitizer protein,PSP）,实现了人工酶生物催化卤代芳烃C-O偶联反应。通过荧光猝灭、瞬态吸收等机理实验验证了能量转移活化对金属有机中间体还原消除的促进作用,展示了精准调控光敏基团和Ni辅因子的空间距离可以优化能量转移协同催化的效率。此外,该催化体系可以拓展用于芳香卤代烃C-N键偶联反应。（3）基于基因密码子扩展技术构建出的不含金属辅因子的人工光敏脱卤酶PSP,使用甲酸钠作为牺牲还原剂时,高效实现了一系列芳基卤化物以及药物分子的直接还原脱卤,显著地超越了天然脱卤酶的底物适用性。通过电子顺磁共振、瞬态吸收等机理实验证实PSP光照后产生自由基,甲酸钠失去电子后转变为氢自由基,氢自由基可能促进PSP催化芳基卤化物还原。本论文初步探索了通过在蛋白骨架中引入化学小分子光敏剂构建人工光敏酶的策略,成功实现了烯烃[2+2]、芳香卤代烃的C-O偶联和脱卤还原等非天然反应,验证了非天然光酶活性中心的设计思路,为发展全新光生物催化体系用于更具挑战的高选择性有机反应如不对称催化的研究奠定了重要基础。