基因合成是指通过逆转录已知模板基因的mRNA在体外人工合成双链DNA分子。智能的合成基因设计是基因工程化和通过不同宿主高效生产重组蛋白的关键一步。可惜的是，并不是所有的基因能够被成功且有效的在不同表达系统中表达蛋白。基因的内在序列特征包括：稳定性、密码子偏好性、GC含量以及mRNA二级结构等，在翻译的过程中起到了重要的作用。遗传密码包含了64个不同的核苷酸密码子，可以组成20个氨基酸。密码子优化是指改变基因的密码子来提高重组蛋白的表达，这也是基因合成设计的重要部分。
密码子优化的起源
密码子偏好性源自观察到在不同的生物体中不均匀的密码子使用频率。在大肠杆菌和酿酒酵母中，某些同义密码子是最优的能够优先匹配细胞中最丰富的的转运RNA或者用最大结合能力去结合这些转运RNA。首选的密码子可能倾向于读取丰富的转运RNA分子，而使用频率不高的密码子可能倾向于读取稀缺的转运RNA。为什么一些高表达基因拥有优先选择密码子仍是未知的。一个传统的观点是优化的密码子可能会比稀有密码子更快的转录，从而可以提高转录的效率。另外一种假设是使用偏爱密码子可能会增加转录的准确性。
密码子优化功能的影响
密码子偏好性与基因的表达水平相关。在不同的蛋白表达系统中，感兴趣的基因可以过表达。这些产物能够占据细胞总蛋白表达的30%。为了产生更多的蛋白质，可以通过改变密码子排序导致广泛的密码子优化mRNA的广泛使用。最初,在基因密码子用同义密码子代替稀有密码子，更可取的和常用的宿主系统。发现经过密码子优化可以增加相应的植物或者哺乳动物的蛋白表达情况。
密码子优化策略
不同的方法和程序能够设计和生产不同的密码子优化mRNA序列。密码子使用的量化以及密码子改变是必须要考虑的一点。合成密码子往往使用同义密码子代替稀有密码子，从而获得更高的使用频率。另一种变异称为密码子协调改变密码子在基因序列与密码子使用宿主生物体的偏见。
诚然，对于设计合成基因来说，仅仅是蛋白表达和密码子优化是不够完美的。许多其他因素也可能会有潜在的影响。例如，mRNA的二级结构能够影响基因的转录。另外，隐蔽性拼接位点、PolyA信号和其他的影响因素也应该避免，应为他们可能会导致mRNA转录过程受到影响。GC含量对于结合的稳定性和DNA序列的退火温度具有直接的影响。转录起始和结束的效率也同样影响了蛋白的输出和溶解。只有考虑到以上所有因素，才能将合成基因密码子优化达到最大值。
