Kode genetik yang diperluas disebut juga dengan Genetic code expansion (GCE) adalah modifikasi buatan dari sistem kode genetik, di mana satu atau lebih kodon (triplet nukleotida) atau struktur kodonik lainnya dialokasikan untuk mengkode asam amino non‑standar (non‑canonical/unnatural amino acids, UAA) yang tidak termasuk dalam 20–22 asam amino proteinogenik alami.^[1] GCE memungkinkan sel atau sistem translasi untuk memasukkan asam amino tambahan ke dalam protein pada posisi tertentu yang dipilih secara genetik. Hal ini dicapai dengan menggunakan tRNA dan aminoacyl‑tRNA sintetase (aaRS) yang direkayasa secara khusus, serta kodon yang telah dialokasikan untuk tujuan tersebut.^[2][3]

Untuk memperluas kode genetik, dibutuhkan beberapa komponen kunci. Asam amino non‑standar (UAA/ncAA) yang ingin dimasukkan ke protein harus memiliki sifat kimia atau reaktivitas khusus yang tidak dimiliki asam amino alami. UAA dapat memiliki rantai samping dengan sifat kimia, fisik, atau reaktivitas yang berbeda, misalnya kemampuan fotokontrol, kelompok bio‑ortogonal, atau kemampuan mengikat logam sehingga memperluas fungsi protein.^[4]

Selain itu, diperlukan kodon yang belum digunakan untuk mengkode UAA tersebut, misalnya kodon stop, kodon jarang, kodon kuadruplet, atau pasangan basa sintetis.^[5][6] Kodon baru ini dikenali oleh tRNA orthogonal, yang spesifik terhadap kodon tersebut dan tidak berinteraksi dengan tRNA atau aminoacyl‑tRNA sintetase (aaRS) endogen, sehingga translasi alami tetap terjaga. aaRS orthogonal kemudian mengeasilasi tRNA ini dengan UAA spesifik, tanpa mengenali tRNA endogen atau asam amino alami, sehingga UAA hanya disisipkan pada posisi yang diinginkan.^[7]

Dengan kombinasi komponen tersebut, sistem translasi sel dapat menghasilkan protein dengan sifat dan fungsi baru tanpa mengganggu jalur translasi normal, memungkinkan penelitian dan aplikasi dalam biologi sintetik serta pengembangan protein dengan kemampuan yang tidak mungkin dicapai oleh asam amino alami saja.^[8][9][10]

Kode genetik pada organisme bersifat sangat mirip dan disebut hampir universal, sehingga hampir seluruh makhluk hidup menggunakan bahasa genetik yang sama.^[11] Sistem ini mendasari translasi mRNA menjadi protein melalui ribosom, dengan tRNA sebagai molekul adaptor yang mengenali kodon tertentu pada mRNA melalui antikodon. Aminoasil‑tRNA sintetase mengkatalisasi pengikatan asam amino ke tRNA yang sesuai, memungkinkan kodon diterjemahkan menjadi rantai polipeptida.^[12] Beberapa organisme, termasuk beberapa jenis bakteri, memiliki mekanisme alternatif untuk memasukkan asam amino yang tidak secara langsung dikodekan dalam genom, misalnya melalui modifikasi asam amino terkait secara struktural.^[13] Pengenalan asam amino non-standar atau buatan ke dalam protein sel hidup merupakan bagian dari penelitian biologi sintetis yang memungkinkan modifikasi kode genetik sel. Dalam kondisi ini, kodon tertentu yang biasanya mengkode asam amino alami dapat mengkode asam amino baru, sehingga aturan translasi protein diubah.^[14][15] Perubahan ini membuka kemungkinan penciptaan bentuk kehidupan alternatif atau organisme dengan sifat protein yang unik, yang tidak ditemukan di alam.^[16][17][18]

1. ^ Xie, Jianming; Schultz, Peter G (2005-12-01). "Adding amino acids to the genetic repertoire". Current Opinion in Chemical Biology. Biopolymers / Model systems. 9 (6): 548–554. doi:10.1016/j.cbpa.2005.10.011. ISSN 1367-5931.
2. ^ "Expansion of the genetic code | Wang Lab". pharm.ucsf.edu. Diakses tanggal 2025-11-01.
3. ^ Wang, Qian; Parrish, Angela R.; Wang, Lei (2009-03-27). "Expanding the genetic code for biological studies". Chemistry & Biology. 16 (3): 323–336. doi:10.1016/j.chembiol.2009.03.001. ISSN 1879-1301. PMC 2696486. PMID 19318213.
4. ^ Nikić-Spiegel, Ivana (2020-11-16). "Expanding the Genetic Code for Neuronal Studies". Chembiochem: A European Journal of Chemical Biology. 21 (22): 3169–3179. doi:10.1002/cbic.202000300. ISSN 1439-7633. PMC 7754302. PMID 32531101.
5. ^ McFeely, Clinton A L; Dods, Kara K; Patel, Shivam S; Hartman, Matthew C T (2022-10-28). "Expansion of the genetic code through reassignment of redundant sense codons using fully modified tRNA". Nucleic Acids Research (dalam bahasa Inggris). 50 (19): 11374–11386. doi:10.1093/nar/gkac846. ISSN 0305-1048. PMC 9638912. PMID 36300637.
6. ^ Kimoto, Michiko; Hirao, Ichiro (2022). "Genetic Code Engineering by Natural and Unnatural Base Pair Systems for the Site-Specific Incorporation of Non-Standard Amino Acids Into Proteins". Frontiers in Molecular Biosciences. 9: 851646. doi:10.3389/fmolb.2022.851646. ISSN 2296-889X. PMC 9171071. PMID 35685243. Pemeliharaan CS1: DOI bebas tanpa ditandai (link)
7. ^ Cervettini, Daniele; Tang, Shan; Fried, Stephen D.; Willis, Julian C. W.; Funke, Louise F. H.; Colwell, Lucy J.; Chin, Jason W. (2020-08). "Rapid discovery and evolution of orthogonal aminoacyl-tRNA synthetase-tRNA pairs". Nature Biotechnology. 38 (8): 989–999. doi:10.1038/s41587-020-0479-2. ISSN 1546-1696. PMC 7116527. PMID 32284585.
8. ^ Sanders, James; Hoffmann, Stefan A.; Green, Anthony P.; Cai, Yizhi (2022-06). "New opportunities for genetic code expansion in synthetic yeast". Current Opinion in Biotechnology. 75: 102691. doi:10.1016/j.copbio.2022.102691. ISSN 1879-0429. PMID 35151980.
9. ^ Huang, Yujia; Zhang, Pan; Wang, Haoyu; Chen, Yan; Liu, Tao; Luo, Xiaozhou (2025-01-22). "Genetic Code Expansion: Recent Developments and Emerging Applications". Chemical Reviews. 125 (2): 523–598. doi:10.1021/acs.chemrev.4c00216. ISSN 1520-6890. PMC 11758808. PMID 39737807.
10. ^ Mukai, Takahito; Lajoie, Marc J.; Englert, Markus; Söll, Dieter (2017-09-08). "Rewriting the Genetic Code". Annual Review of Microbiology (dalam bahasa Inggris). 71 (Volume 71, 2017): 557–577. doi:10.1146/annurev-micro-090816-093247. ISSN 0066-4227. PMC 5772603. PMID 28697669.
11. ^ Koonin, Eugene V.; Novozhilov, Artem S. (2017-11-27). "Origin and Evolution of the Universal Genetic Code". Annual Review of Genetics. 51: 45–62. doi:10.1146/annurev-genet-120116-024713. ISSN 1545-2948. PMID 28853922.
12. ^ Lei, Lei; Burton, Zachary F. (2020-03-02). "Evolution of Life on Earth: tRNA, Aminoacyl-tRNA Synthetases and the Genetic Code". Life (Basel, Switzerland). 10 (3): 21. doi:10.3390/life10030021. ISSN 2075-1729. PMC 7151597. PMID 32131473. Pemeliharaan CS1: DOI bebas tanpa ditandai (link)
13. ^ Ribas de Pouplana, Lluís (2020). "The evolution of aminoacyl-tRNA synthetases: From dawn to LUCA". The Enzymes. 48: 11–37. doi:10.1016/bs.enz.2020.08.001. ISSN 0423-2607. PMID 33837701.
14. ^ Katoh, Takayuki; Suga, Hiroaki (2022-06-21). "In Vitro Genetic Code Reprogramming for the Expansion of Usable Noncanonical Amino Acids". Annual Review of Biochemistry (dalam bahasa Inggris). 91 (Volume 91, 2022): 221–243. doi:10.1146/annurev-biochem-040320-103817. ISSN 0066-4154.
15. ^ Yinxue, Z. H. U.; Dexiang, Wang; Ying, Kong; Wenjie, L. U.; Hui, Y. E.; Haiping, H. a. O. (2022-08-25). "Genetic incorporation of unnatural amino acids into proteins and its translational application in biomedicine" (PDF). Journal of China Pharmaceutical University (dalam bahasa Tionghoa). 53 (4): 383–391. doi:10.11665/j.issn.1000-5048.20220401. ISSN 1000-5048.
16. ^ Wang, Lei; Schultz, Peter G. (2002-01-14). "Expanding the genetic code". Chemical Communications (dalam bahasa Inggris) (1): 1–11. doi:10.1039/B108185N. ISSN 1364-548X.
17. ^ Xue, Hong; Wong, J. (2017-02-28). "Future of the Genetic Code". Life (dalam bahasa Inggris). 7 (1): 10. doi:10.3390/life7010010. ISSN 2075-1729. Pemeliharaan CS1: DOI bebas tanpa ditandai (link)
18. ^ "Expanding The Genetic Code: The World's First Truly Unnatural Organism". ScienceDaily (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 2025-11-01.