正交系统是合成生物学中最重要的基础之一。它是指构建一个与天然生物系统没有交集的有独立功能的系统。其主要应用包括构建氨酰tRNA合成酶/tRNA正交对在基因编码非天然氨基酸中的应用以及构建正交小分子配体对在蛋白质工程中的应用，本论文将就这两方面工作分别介绍。　　本论文的第一部分为第一章到第四章，介绍了基因编码非天然氨基酸的研究背景、研究进展以及该技术在蛋白质功能研究等方面的相关工作。本论文的第二部分为第五章，介绍了构建正交小分子配体对的方法以及利用这种方法在蛋白质工程研究中的应用。　　第一章综述了国内外利用化学方法合成蛋白质的进展，包括化学合成蛋白质，体外修饰以及扩展遗传密码子等方法。通过列举固相合成，片段连接反应以及体外氨基，羧基和巯基修饰等方法的特点，综述了基因编码非天然氨基酸的方法及近年发展成果，论述论文的选题来源，研究计划和研究意义。　　第二章利用基因编码的非天然氨基酸研究蛋白质中的电子传递。发展了对氟间硝基苯丙氨酸和间硝基苯丙氨酸两种有效的电子受体。利用基因编码技术在绿色荧光蛋白的不同位点引入以上两种非天然氨基酸电子受体，利用超快光谱以及荧光定量的方法得到了它们的电子传递速率。证明了电子从GFP发色团转移到对氟间硝基苯丙氨酸仅需要皮秒，并且是距离依赖的。通过引入这些低还原电位的非天然氨基酸可以为复杂氧化还原体系（如氢酶和光系统Ⅰ，Ⅱ等）中的电子转移机理以及指导设计微型蛋白来模仿其功能研究提供帮助。　　第三章利用基因编码的非天然氨基酸研究蛋白质中的磷酸酶活性。蛋白质的磷酸化和去磷酸化过程是生物体内普遍存在的信息传导调节方式，几乎涉及所有生理病理过程。VHR是人牛痘H1相关的磷酸酶，能催化蛋白质发生去磷酸化反应。由于没有有效获得含有磷酸化酪氨酸重组蛋白质的方法，其生物学功能研究受到限制。磺酸化酪氨酸具有与磷酸化酪氨酸相近的生化性质，被用来代替磷酸化酪氨酸研究磷酸化修饰。通过化学合成磺酸化酪氨酸，利用基因编码的方法实现了在VHR特定位点插入磺酸化酪氨酸并研究了其修饰后酶活性机制。　　第四章利用基因编码的非天然氨基酸发展光致电子转移荧光探针。基于光致电子转移机理设计荧光探针是一种普遍的有效的探针设计方法，然而由于缺乏特异性引入光致电子转移基团到蛋白的方法，使得该方法的应用一直受到限制。通过在iLov荧光蛋白中引入一系列电子受体氨基酸（3-氯代酪氨酸，3，5-二氯代酪氨酸，3，5-二氟代酪氨酸，2，3，5-三氟代酪氨酸以及2，3，5，6-四氟代酪氨酸）发展了一系列酸开启以及三价锰开启的的荧光探针。　　第五章正交小分子蛋白配体对调控Fe(Ⅱ)/α-KG依赖蛋白。Fe(Ⅱ)/α-酮戊二酸依赖的蛋白是一类非常重要的蛋白，它可以催化多样性的反应，例如修复DNA/RNA的烷基化，对蛋白质侧链的改变，生物合成抗生素，脂类代谢以及生物降解化合物。这类酶有三个重要基序His1-X-Asp/Glu-Xn-His2用于配合金属离子，另一个共底物α-酮戊二酸利用C-2的酮基团与C1-的羧酸基团与金属离子（多为亚铁离子）配合。利用正交小分子蛋白配体对的策略可以实现利用一种α-KG分子的类似物特异性的调控点突变的α-KG蛋白。目前已经在大肠杆菌TauD蛋白，AlkB蛋白以及人FTO蛋白中验证了这一方法。