血红素通常在蛋白质中被用来执行各种生物学功能，如用于结合和传递O₂，电子传递，以及生物催化等。这些功能受到血红素活性位点的配位状态和微环境的影响。而蛋白质工程技术可以通过改变血红素蛋白的结构来调控其生物功能。例如，可以将氧载体蛋白肌红蛋白（Myoglobin, Mb）设计成多种不同功能的生物酶，包括过氧化物酶、血红素-铜氧化酶、一氧化氮还原酶、亚硝酸盐还原酶、以及卡宾和氮宾转移酶等。所用的方法策略也多种多样，包括定点突变，设计金属离子结合位点，以及引入非天然氨基酸或新的金属辅基等。

其中，血红素辅基与蛋白质肽链之间的共价结合备受关注。例如，细胞色素c（Cyt c）和细胞色素P450中的CYP4家族成员等，其血红素均通过共价键的形成与蛋白质肽链相连。其它血红素蛋白也可以通过蛋白质工程技术，引入类似的共价键，以提高血红素辅基结合能力，并改善蛋白质的功能。相比而言，通过利用非共价相互作用（如氢键和疏水相互作用）等来调节血红素的活性位点，是改造血红素蛋白结构与功能的一种重要策略。目前，很少有使用共价修饰的方法，通过引入外源小分子来调控血红素蛋白活性位点的相关研究。

为此，南华大学林英武课题组结合蛋白质工程技术与共价修饰方法，开发了一种调控血红素活性位点的方法。以肌红蛋白Mb为模型蛋白，分别引入两种化学小分子，调节了血红素活性中心的配位状态，并且改善了其催化功能。

考虑到与血红素远端位点的距离，他们选择在Mb的第46位氨基酸引入外源化学小分子（图A）。通过将第46位具有较大侧链的苯丙氨酸（Phe）突变成半胱氨酸（Cys），以获得具有足够空腔且可以通过共价修饰外源小分子（图B），分别选用含有三氮唑或苯酚基团的化学小分子1H-1,2,4-triazole-3-thiol和1-(4-hydroxyphenyl)-1H-pyrrole-2,5-dione对Cys46进行共价修饰，最终获得了两种化学修饰蛋白F46C-triazole Mb 和F46C-phenol Mb，并成功解析了它们的晶体结构（图C和图D）。

作者后续又对这两种化学修饰蛋白进行了一系列波谱学和动力学研究，并以2,2'-联氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐（2,2'-Azinobis-(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonate，ABTS）和愈创木酚（Guaiacol）为底物，进行了过氧化物酶催化活性测试（图E和图F）。结果表明两种蛋白的催化效率均大幅度提升。其中，F46C-phenol Mb对ABTS和Guaiacol的催化效率分别是WT Mb的~174倍和~46倍。

这些研究表明，通过共价修饰在Mb中引入外源化学小分子，可以有效调节其血红素的配位状态，以及调控其过氧化物酶催化功能等。因此，该人工金属酶设计方法可广泛用于其他血红素蛋白酶的分子设计与应用。