酶分子的理性设计（rational design）是利用各种生物化学、生物物理、结构生物学方法获得有关酶分子的结构、性质和功能的信息，并基于已知结构和功能之间的关系，改变酶分子中个别氨基酸残基和结构域改造酶分子，甚至设计并预测好酶的空间结构并从头开始设计酶的一级结构，以期获得具有新性状的突变酶。

理性设计的方法有寡核苷酸介导的重组PCR、限制性内切酶酶切片段取代法、盒式突变法和化学合成法等。理性设计的关键是对酶作用机制的准确深入理解，并通常需要清楚一个已经解析的酶结构信息。首先，必须要充分了解酶的结构。当要对某一酶分子进行设计时，要先查找PDB（protein data bank），了解酶的X射线晶体衍射学及NMR方法等测定的蛋白质三维结构，或者通过结构预测的方法建立酶的蛋白质三维结构模型。如今在计算机的帮助下，虽然有些目标蛋白质并没有获得完整确切的结构信息，但设计者可以通过将目标蛋白与其同源蛋白质结构进行计算机结构建模，从而得到其近似的结构信息，并用实验数据进行验证。然后，从酶的蛋白质三维结构出发，利用计算机模拟技术确定突变位点及替换的氨基酸。一般要注意如下问题：①应确定蛋白质折叠敏感的区域，包括带有特殊扭角的氨基酸（如羟—脯氨酸、甘氨酸或天冬氨酸）、盐桥、密堆积区等；②当进行互换或插入/删除残基时考虑它们对结构特征的影响，如氢键、侧链取向等，同时也要考虑它们对酶功能的影响；③应确定对酶功能非常重要的位置，这些可以从结构与功能的关系、生物化学或蛋白质工程实验及结构上考虑。最后，利用能量优化及蛋白质动力学方法预测修饰后的酶结构，并将修饰后的结构与原来酶的结构进行比较，利用蛋白质的结构、功能、稳定性等相关知识及理论计算预测新酶可能具有的性质。如果同时有可用的酶与底物或抑制剂的复合物结构，则可以帮助设计者认识到酶与底物相互作用并催化的机制，更加显著地提高理性设计的成功率。(www.daowen.com)

通过理性设计增加了对酶结合和催化机制的理解，对以后的酶工程改造和对数据库中新的蛋白质序列的功能预测奠定了基础，增加了酶工程改造成功的机会。随着通过酶动力学来鉴定有益突变体策略的建立，克服了传统的理性设计要求每轮都进行突变体测序、纯化和酶特性的测定等缺点，使需要多轮突变对酶进行改性的理性设计方法成为可能。同时，随着核磁共振光谱预测酶结构的发展和公共序列数据库储存数据越来越多，了解数据和结构更加方便。应用分子模型，可以预测怎样提高酶的选择性、活性和稳定性。理性设计的方法虽然需要大量有关酶的结构、功能和机制等方面的信息，但依然受到科学家的青睐。