天然氨基酸數(shù)量有限、結(jié)構(gòu)保守，其構(gòu)成的天然蛋白質(zhì)已經(jīng)無法滿足蛋白質(zhì)工程以及蛋白藥物開發(fā)等領(lǐng)域的研究需求。

非天然氨基酸（non-natural amino acids, nnAAs）有結(jié)構(gòu)多樣的側(cè)鏈基團，將其插入到蛋白質(zhì)中可賦予蛋白質(zhì)新的化學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及功能。非天然氨基酸插入為生物研究、生物治療學(xué)及合成生物學(xué)提供了新的途徑，在新興領(lǐng)域中應(yīng)用前景廣闊：

（1）非天然蛋白質(zhì)藥物開發(fā)：nnAAs特殊的化學(xué)功能基團極大地拓展了蛋白質(zhì)藥物的設(shè)計空間，同時也為位點特異性偶聯(lián)開辟了新途徑，使抗體偶聯(lián)藥物具有良好的藥代動力學(xué)、效價和抗原結(jié)合特性。

（2）酶進(jìn)化：傳統(tǒng)的酶或蛋白質(zhì)工程依賴于用其余的19種天然氨基酸中的一種取代某一位點的某種氨基酸來改變酶或蛋白質(zhì)的功能特性，而nnAAs的插入可以產(chǎn)生具有更高穩(wěn)定性和改變催化性質(zhì)的酶。

（3）非天然氨基酸探針：nnAAs作為高靈敏度的生物物理探針，可結(jié)合到重組蛋白質(zhì)的特定位點，用于目標(biāo)蛋白質(zhì)的定量檢測及結(jié)構(gòu)和功能的精確分析。

（4）蛋白質(zhì)材料：nnAAs插入可以產(chǎn)生新型蛋白質(zhì)聚合物，以用于合成生物材料，例如合成生物粘合劑等。

與細(xì)胞蛋白表達(dá)相比，無細(xì)胞蛋白表達(dá)系統(tǒng)在非天然氨基酸插入領(lǐng)域具有天然優(yōu)勢：

（1）無細(xì)胞系統(tǒng)沒有細(xì)胞膜阻礙，規(guī)避了nnAAs選擇性問題；

（2）無細(xì)胞系統(tǒng)不受nnAAs可能產(chǎn)生的細(xì)胞毒性作用影響；

（3）有利于精細(xì)調(diào)控反應(yīng)進(jìn)程。

無細(xì)胞蛋白表達(dá)系統(tǒng)作為可靈活嵌入非天然氨基酸的強大技術(shù)臺，避免了nnAAs的跨膜及胞內(nèi)運輸障礙、細(xì)胞生長毒性的問題，在研究蛋白質(zhì)間相互作用、開發(fā)蛋白質(zhì)藥物、新型蛋白材料方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

珀羅汀生物對綠色熒光蛋白（GFP）進(jìn)行非天然氨基酸定點插入，在CFPS體系中成功表達(dá)了含非天然氨基酸（pAcF/pAzF）的GFP，其中pAcF插入效率超過70%。pAzF插入效率低于pAcF，這可能是由于pAzF的疊氮基在生理條件下不穩(wěn)定，導(dǎo)致pAzF被還原為對氨基苯丙氨酸（pAF）。