非天然碱基（unnatural base），理学-化学-化学生物学-核酸化学生物学-核酸化学-核酸固相合成-非天然核苷酸，天然碱基的类似物或衍生物。也包括具有互补配对功能的小分子化合物。在生物体里天然存在的碱基主要有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U）。DNA中的四种主要碱基为A、G、C和T，RNA中主要为A、G、C和U。天然碱基A-T（或U）和C-G间会形成沃森-克里克碱基互补配对（Watson-Crick base pair）。合成生物学家也开发出可以模拟沃森-克里克碱基互补配对的非天然碱基对（图1），例如美国加州拉霍亚斯克里普斯研究所F.E.罗梅斯伯格[注]等开发的非天然碱基对dNaM-dTPT3在细菌体内实现了DNA复制过程，并通过改良tRNA在细菌体内实现了利用新密码子编码蛋白。图1 三种非天然碱基对非天然碱基（图2）被广泛用于抗核酸代谢类药物或DNA表观遗传学通路小分子抑制剂，用于治疗癌症等疾病。