非天然氨基酸具有多樣性功能基團，如酮基、醛基、烯基、硝基、酰胺基、磷酸根等，可發生光化學、點擊化學、糖基化、熒光顯色等反應。非天然氨基酸（ncAAs）是一類非蛋白光學性氨基酸，通過化學修飾、基因定點突變和計算機輔助蛋白質設計20種天然氨基酸得到。
非天然氨基酸種類多樣，包括L-叔亮氨酸、L-正纈氨酸、D-絲氨酸、D-脯氨酸、D-酪氨酸、D-苯丙氨酸、R-3-氨基丁酸等。根據結構、功能不同，非天然氨基酸可分為熒光標記型、化學反應型、光交聯型以及翻譯后修飾型四大類。根據氨基位置不同，非天然氨基酸又分為α型氨基酸、β型氨基酸。
非天然氨基酸生產方法分為化學法、生物催化法、微生物合成法等，其中化學法又分為化學拆分法、不對稱轉化法、手性合成法等。化學法存在手性含量低、合成副反應多、三廢排量高等缺點，相比之下，生物催化法在成本、安全性、手性含量等方面具有一定優勢。非天然氨基酸的微生物合成尚處于起步階段，距離產業化較遠。
根據新思界產業研究中心發布的《
2023-2027年中國非天然氨基酸（ncAAs）行業市場供需現狀及發展趨勢預測報告》顯示，非天然氨基酸具有靈敏度高、特異性強、功能多樣、使用靈活等特點，在藥物研發、生物催化、科學研究、環境監測、蛋白質設計等領域應用價值較高。我國非天然氨基酸市場起步較晚，得益于手性藥物、多肽藥物、擬肽類藥物發展，非天然氨基酸應用規模越來越大，預計2023-2028年，我國非天然氨基酸市場規模將不斷增長，2028年將突破125億元。
基因密碼子擴展（GCE）技術能實現在活細胞蛋白質位點特異性插入非天然氨基酸，隨著相關技術日漸成熟，多種非天然氨基酸得到了不斷優化、改進和創新。非天然氨基酸合成是國內外重點研究方向之一，北京理工大學霍毅欣教授團隊在合成生物學重點研發專項“基于密碼子擴展的原核生物構建和酶定向進化”的資助下，構建了多種非天然氨基酸的生物合成途徑。
新思界
行業分析人士表示，非天然氨基酸具有天然氨基酸不存在的結構和功能，應用前景十分廣闊。我國是全球非天然氨基酸主要生產國之一，相關生產企業有上海瀚鴻科技股份有限公司、泰州天鴻生化科技有限公司、蘇州昊帆生物股份有限公司、四川同晟氨基酸有限公司、浙江華睿生物技術有限公司等。
