通过引入外源的氨酰-tRNA合成酶和tRNA正交对，已有八十多种非天然氨基酸在大肠杆菌、酵母和哺乳动物细胞中实现了蛋白质特异性位点插入。这些非天然氨基酸的插入在蛋白中引入了荧光标签、光反应基团、化学反应活性基团、重原子基团和甲基化、乙酰化等修饰，使蛋白获得新的物理和生化特性。这种基于基因密码子扩展的非天然氨基酸插入技术拓展了蛋白质研究的手段和方法，从而有助于更深入的研究蛋白质的结构和功能。　　 本文首先针对基因密码子扩展技术的两大要素:非天然氨基酸的合成和氨酰-tRNA合成酶的筛选，开展了研究。我们首先将闭环的Pechmann反应与氨基酸链修饰的Wittig-Horner反应相结合，实现了全新的、产率更高且纯化步骤更简单的香豆素氨基酸合成路线，合成了一系列新的具有不同荧光特性的香豆素氨基酸衍生物。其次建立了Methanococcus jannaschii氨酰-tRNA合成酶新的饱和突变库进行四种香豆素氨基酸衍生物的氨酰-tRNA合成酶的筛选，发现新的突变位点并不能识别香豆素氨基酸衍生物。结合已有的识别7-羟基香豆素氨基酸的氨酰-tRNA合成酶的apo晶体结构，我们推断了香豆素类氨基酸与氨酰-tRNA合成酶的结合位点，为进一步筛选香豆素类氨基酸的氨酰-tRNA合成酶提供了依据。　　 其次，本文应用基因密码子扩展技术实现了硫氧还蛋白中7-羟基香豆素氨基酸的插入，并利用其荧光特性表征了硫氧还蛋白的氧化还原状态。结果显示随着体外溶液体系的电势降低，硫氧还蛋白特定位点7-羟基香豆素氨基酸的荧光值增大，根据其荧光值变化计算的氧化还原电势与文献报道一致;且流式细胞仪或荧光仪检测结果显示硫氧还蛋白特定位点7-羟基香豆素氨基酸的荧光变化也可以响应细胞内氧化还原电势的变化，其变化趋势与体外检测结果一致。这是非天然氨基酸插入技术首次应用于蛋白质氧化还原电势的研究。与蛋白质氧化还原电势研究的传统方法相比，本方法更为灵敏和方便，可以检测细胞内的氧化还原状态。