細胞における機能的必要性に応じて、タンパク質の合成と調節が行われます。タンパク質の設計図はDNAに保存され、メッセンジャーRNAを生成する高制御な転写工程（mRNA）によりデコードされます。そして、mRNAにコードされたメッセージがタンパク質へ翻訳されます。転写とは、DNAからmRNAへの情報の転送を指します。また、翻訳とはmRNAにより指定される配列に基づいたタンパク質の合成を指します。

原核生物では、転写と翻訳の両プロセスが同時に起こります。成熟したmRNA転写物が完全に合成される前であっても、mRNAの翻訳は発生します。このような遺伝子の同時性の転写や翻訳は、結合転写や結合翻訳と呼ばれます。真核生物では、このプロセスは核や翻訳で起こる転写、あるいは細胞質で起こるタンパク質合成とは、空間的に分離されて順次発生します。

転写は、原核生物と真核生物のいずれにおいても、「開始・伸長・終結」という三段階をとります：二本鎖DNAが巻き戻され、RNAポリメラーゼが結合できる状態になると、転写が開始されます。転写が始まると、RNAポリメラーゼがDNAから放出されます。転写は、アクチベーターとリプレッサーにより、また真核生物におけるクロマチン構造により、様々なレベルで調節されます。原核生物では、mRNAの特別な修飾は必要なく、転写の完了前でもメッセージの翻訳が開始されます。しかし真核生物では、mRNAはさらにイントロンの除去処理（スプライシング）が施され、mRNAの5 '末端でキャップ構造が、3 '末端で複数アデニンが添加されポリAテールが生成されます。そして、修飾されたmRNAは、翻訳される場である細胞質へ搬出されます。

翻訳やタンパク質合成は、「開始・伸長・終結」のステップを踏む多段階工程です。この工程では、リボソーム、転写RNA（tRNA）、mRNA、タンパク質因子などの巨大分子、さらにアミノ酸、ATP、GTP、他の補因子などの小分子が必要になります。翻訳の各工程には、特定のタンパク質因子が存在します(下表をご参照ください)。原核生物および真核生物において、特殊な違いもあるものの全プロセスは類似しています。

開始時には、イニシエーターtRNAへ結合したリボソームの小サブユニットは、5 '末端の開始mRNAをスキャンし、開始コドンを同定して結合します。リボソームの大サブユニットは、リボソームの小サブユニットへ結合し、開始コドンで開始複合体を生成します。タンパク質因子およびmRNA中の配列は、開始コドンの認識と開始複合体の形成に関与します。伸長中に、tRNAは指定アミノ酸に結合（いわゆるtRNA荷電）し、リボソームへシャトルします。そして、リボソームで指定アミノ酸は重合されてペプチドを形成します。成長ペプチドへ添加するアミノ酸配列は、転写物のmRNA配列に依存しています。そして、リボソームが終止コドンまで到達すると、終結段階として新生ポリペプチドが放出されます。この段階で、リボソームは、mRNAから放出され、次の翻訳を開始できるようになります。

原核生物および真核生物の翻訳機構に関する、主要成分と特性の概要：

翻訳後、ポリペプチドは様々な方法で修飾され、構造の完成、位置の指定、細胞内で活性の調節などを行います。化学構造へ様々な追加や変質を加えられる翻訳後修飾（PTM）は、全細胞生物学において重要性の高い機能です。

翻訳後修飾には以下のタイプがあります：

• シャペロンタンパク質を利用して、ポリペプチドを球状タンパク質に折り畳み、最小エネルギー状態へ到達させる
• 最初のメチオニン残基を除去するなどして、アミノ酸の存在を修飾する
• ジスルフィド架橋の形成または還元
• 結合機能を促進するタンパク質修飾：
  • グリコシル化
  • 膜局在化のためのタンパク質のプレニル化
  • ヒストンをアセチル化して、DNA-ヒストンの相互作用を修飾する
• タンパク質活性を調節する官能基の添加：
  • リン酸化
  • ニトロシル化
  • GTP結合

一般的にプロテオミクス研究では、構造、機能、修飾、局在化、タンパク質相互作用など、あらゆる側面からタンパク質の調査を行います。特定タンパク質による生物学的な調節について調査するため、研究者には目的の機能性タンパク質を産出（生産）する手段が必要です。

タンパク質のサイズや複雑性を考えれば、化学合成によりタンパク質産出を試みることはできません。代わりに、通常は生細胞や細胞機構を拠点にして、供給遺伝テンプレートに基づいてタンパク質を構築させます。

タンパク質とは異なり、DNAは、確立した組換えDNA技術によって簡単に合成やin vitroで構築ができます。つまり、特定遺伝子のDNAテンプレートは、アドオン式レポーターや親和性タグ配列の有無にかかわらず、タンパク質発現用テンプレートとして構成できます。こうしたDNAテンプレートから産生されたタンパク質は、組換えタンパク質と呼ばれます。

従来の組換えタンパク質発現では、テンプレート含有DNAベクターで細胞をトランスフェクトした後、目的タンパク質を転写・翻訳させるよう細胞培養を行います。そして通常は、後続の精製工程で発現タンパク質を抽出するため、細胞を溶解させます。原核生物および真核生物のin vivoタンパク質発現系は、広く普及しています。タンパク質のタイプ、機能活性要件、目的収量に応じて発現系を選択します。

細菌は培養しやすいうえ成長が早く、組換えタンパク質を高収量で産出することから、細菌タンパク質発現系の需要が高いです。しかし、所要の翻訳後修飾や分子折り畳みの達成能力が細胞には備わっていないため、細菌中で発現されるマルチドメインの真核生物タンパク質は、一般的に機能的とは言えません。また、多くのタンパク質は封入体として不溶化されます。この封入体は、強力な変性剤を用いるか、その後面倒なタンパク質リフォールディング処理を行わない限り、回復させるのが非常に困難です。

哺乳動物 in vivo 発現系は、機能的タンパク質を産出できる反面、低収量、生産コストが高い、さらに哺乳類動物細胞培養の処理時間が長いといった面もあります。また、in vivo発現系は、宿主細胞に毒性のタンパク質をハイスループット合成や発現させることはできません。

無細胞タンパク質発現は、全細胞の翻訳適合性の抽出物を活用して、タンパク質をin vitro合成します。原理的に全細胞抽出物には、転写、翻訳、さらに翻訳後修飾に要する全ての高分子成分が含有されています。これらの高分子成分には、RNAポリメラーゼ、調節タンパク質因子、転写因子、リボソーム、tRNAなどが挙げられます。補因子、ヌクレオチドおよび特定遺伝子テンプレートを添加すれば、この抽出物の作用により数時間以内に目的タンパク質を合成できます。

無細胞タンパク質発現系は、大スケール生産では持続性がないものの、従来型in vivo系には無い利点がいくつかあります。無細胞発現を活用すると、細胞培養の手間が要らず、迅速に組換えタンパク質を合成できます。無細胞系は、修飾アミノ酸でタンパク質を標識できるうえに、細胞内プロテアーゼから急速なタンパク質分解を受けるタンパク質をも発現させることができます。また、無細胞を活用したメソッドでは、多くの多様なタンパク質を同時に発現できます（例：多数の各種組換えDNAテンプレートからの小スケール発現によってタンパク質変異を試験する）。

タンパク質合成化学は、非天然アミノ酸で標識されたタンパク質、特定部位に標識されたタンパク質、または生物学的発現系に毒性のタンパク質が必要な用途に活用できます。化学合成は、高純度タンパク質を産生しますが、少量のタンパク質やペプチドにのみ有効です。一般的に化学合成では収量が低いため、化学合成で比較的長いペプチドを生成すると非常に高価となります。