Ein Alloprotein ist ein Protein, das eine oder mehrere nicht-kanonische Aminosäuren enthält. Zu den nicht-kanonischen Aminosäuren zählen sowohl in der Natur vorkommende, natürlicherweise nicht in der Proteinbiosynthese beteiligte Aminosäuren, als auch künstliche, synthetisierte Aminosäuren.^[1][2]

Alloproteine können mikrobiell durch gezielte Fehlbeladungen von nativer tRNA durch Aminoacyl-tRNA-Synthetasen gewonnen werden. Dazu wird ein Bakterienstamm, der die zu ersetzende kanonische Aminosäure nicht selbst produzieren kann, auf einem Minimalmedium kultiviert. Das Minimalmedium enthält die nicht-kanonische Aminosäure, die in ihrer Struktur möglichst ähnlich zu der zu ersetzenden kanonischen Aminosäure sein sollte (Analoga). Die nichtkanonische Aminosäure wird aufgenommen und akkumuliert in der Zelle, wo sie durch die endogene Aminoacyl-tRNA-Synthetase auf die tRNA der zu ersetzenden kanonischen Aminosäure geladen wird. Bei der Translation kommt es so zum Einbau der nicht-kanonischen Aminosäure in das Protein. Durch diese Methode können etwa 70 % des genetischen Codes verändert werden.^[3][4]

Eine weitere Methode ist die „Stopp-Codon-Supression“. Hierfür werden mutierte tRNAs verwendet, die den Stopp-Codon nicht mehr als solches erkennen und keinen Kettenabbruch induzieren. Durch Modifikation der zugehörigen Aminoacyl-tRNA-Synthetase lässt sich die gewünschte nicht-kanonische Aminosäure in die Polypeptidkette einbauen, ohne den Einbau der proteinogenen Aminosäuren zu stören. Hierzu muss der neu zugewiesene Stopp-Codon an den gewünschten Stellen in die DNA eingebaut werden.^[5][3]

Alloproteine lassen sich auch chemisch synthetisieren, dies ist jedoch nur bei Peptiden mit geringem Molekulargewicht möglich.^[6]

Die Eigenschaften von Alloproteinen können gezielt dem gewünschten Nutzen angepasst werden, was eine zukünftige Anwendung in Pharmazie und Materialwissenschaften möglich macht.^[7]

1. ↑ Michael G. Hoesl, Nediljko Budisa: Expanding and Engineering the Genetic Code in a Single Expression Experiment. In: ChemBioChem. Band 12, Nr. 4, 7. März 2011, S. 552–555, doi:10.1002/cbic.201000586. 
2. ↑ Birgit Wiltschi, Nediljko Budisa: Natural history and experimental evolution of the genetic code. In: Applied Microbiology and Biotechnology. Band 74, Nr. 4, 1. März 2007, ISSN 1432-0614, S. 739–753, doi:10.1007/s00253-006-0823-6. 
3. ↑ ^{a b} Federica Agostini, Jan‐Stefan Völler, Beate Koksch, Carlos G. Acevedo‐Rocha, Vladimir Kubyshkin: Biokatalyse mit nicht‐natürlichen Aminosäuren: Enzymologie trifft Xenobiologie. In: Angewandte Chemie. Band 129, Nr. 33, 7. August 2017, ISSN 0044-8249, S. 9810–9835, doi:10.1002/ange.201610129. 
4. ↑ Dejan M. Petrović, Kees Leenhouts, Maarten L. van Roosmalen, Jaap Broos: An expression system for the efficient incorporation of an expanded set of tryptophan analogues. In: Amino Acids. Band 44, Nr. 5, 1. Mai 2013, ISSN 1438-2199, S. 1329–1336, doi:10.1007/s00726-013-1467-3. 
5. ↑ Takahito Mukai, Motoaki Wakiyama, Kensaku Sakamoto, Shigeyuki Yokoyama: Genetic encoding of non-natural amino acids in Drosophila melanogaster Schneider 2 cells: Alloprotein Production in Insect Cells. In: Protein Science. Band 19, Nr. 3, März 2010, S. 440–448, doi:10.1002/pro.322, PMID 20052681, PMC 2866270 (freier Volltext). 
6. ↑ H. Koide, S. Yokoyama, G. Kawai, J. M. Ha, T. Oka: Biosynthesis of a protein containing a nonprotein amino acid by Escherichia coli: L-2-aminohexanoic acid at position 21 in human epidermal growth factor. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 85, Nr. 17, September 1988, ISSN 0027-8424, S. 6237–6241, doi:10.1073/pnas.85.17.6237, PMID 3045813, PMC 281944 (freier Volltext). 
7. ↑ Birgit Wiltschi, Lars Merkel, Nediljko Budisa: A holistic approach to genetic code engineering. (PDF) Max Planck Institute of Biochemistry, abgerufen am 17. November 2022.