力学蛋白不仅在生物学领域中可以起到分子弹簧的作用,同时也是建造功能性纳米机器和具有优异力学性能的生物材料的潜在构建模块。在过去的十年里,基于原子力显微镜的单分子力谱技术与蛋白质工程学以及分子动力模拟学相结合,成功的在单分子层面上对蛋白质力学性能进行了全方位的准确描绘。尽管蛋白质力学稳定性的设计及构建已经取得了巨大的进步,但力学稳定性的分子决定因素仍具有很大未知性。仍然很难直接从蛋白质的三维结构,或者它的序列组成预测出这个蛋白质的力学稳定性。同时以合理的方式对蛋白质的力学稳定性进行调控仍然充满挑战性。本论文首先对在单分子层面研究蛋白质机械性能这个新兴领域做了一个综述。然后以蛋白质GB1作为研究对象,通过结合基于原子力显微镜的单分子力谱技术以及蛋白工程技术,探讨了三种分子决定因素对蛋白质机械稳定性的影响,具体内容如下：第一部分：研究了蛋白质GB1不同位点的残基的侧链削减以及疏水核堆积作用对于其力学稳定性的影响。并通过机械力学解折叠Φu值的绘制图讨论了蛋白质GB1的机械解折叠过渡态的结构,对比研究了蛋白质GB1在机械力学实验和化学实验中的解折叠路径。第二部分：在蛋白质GB1上构建一个“主客体”体系,以此为基础研究了形成β片层结构的固有倾向及β片层结构上侧链间的相互作用这两个因素对蛋白GB1的力学稳定性的影响。并结合蛋白质GBl机械解折叠过渡态的结构,阐明了这两个β片层结构的构成因素对其力学稳定性的影响的原理。第三部分：在上一部分工作的基础上,通过设计调控p片层结构上的成对残基间的侧链的相互作用,成功地提高了蛋白质的力学稳定性。同时揭示了此方法提高蛋白质力学稳定性的机理,延伸得到增强蛋白质机械稳定性的基本准则。