1973年，美國斯坦福大學的科恩教授切斷了兩個質粒上不同的抗藥基因，並將它們拼接在同壹個質粒上。當這種雜交質粒進入大腸桿菌後，這種大腸桿菌就能抵抗兩種藥物，其後代具有雙重抗菌性，科恩的重組實驗拉開了基因工程的序幕。
DNA重組技術是基因工程的核心技術。重組，顧名思義，就是重組，即利用供體生物的遺傳物質或合成基因，經過體外切割，與相應的載體連接，形成重組DNA分子，再將重組DNA分子導入受體細胞或受體生物體內，按照人類事先設計好的藍圖，構建出能夠表現出另壹種生物的某種性狀的轉基因生物。(1）目的基因
基因工程是壹種有目的的創造性工作，它的原材料就是目的基因。所謂目的基因，就是通過人工手段獲得的符合設計者要求的 DNA 片段。在適當的條件下，目的基因會以蛋白質的形式表達出來，從而實現設計者改變生物性狀的目的。
（2）載體
目的基因壹般不能直接進入另壹個生物細胞，需要與特定的載體結合才能安全地進入受體細胞。目前常用的載體有質粒、噬菌體和病毒。
質粒是壹種環狀 DNA 分子，存在於大多數細菌和壹些真核生物的細胞中，位於細胞質內。許多質粒含有在某些環境中可能必不可少的基因。
噬菌體是壹類專門感染細菌的病毒，由蛋白質外殼和中心核酸組成。在感染細菌時，噬菌體將DNA註入細菌，以DNA為模板，復制DNA分子，合成蛋白質，最後組裝成壹個新的噬菌體。當細菌死亡和破裂時，大量噬菌體被釋放出來，感染下壹個目標。
質粒、噬菌體和病毒的相似之處在於，它們都能將自身的 DNA 分子註入宿主細胞並保持完整，因此適合作為攜帶目標基因的載體。因此，基因工程中的載體本質上就是特殊的 DNA 分子。
（3）工具和酶基因工程需要壹套工具，從生物體內分離出目的基因，然後選擇合適的載體將目的基因與載體連接起來。基因工程實際上是壹種 "超微觀工程"，需要特殊的工具來切割、縫合和運輸DNA。
1968年，科學家首次從大腸桿菌中提取出限制性內切酶。限制性內切酶的最大特點是高度特化，能識別DNA上特定的核苷酸序列，並在特定的切點切割DNA分子。自20世紀70年代以來，人們已經分離和提取了400多種限制性內切酶。自 20 世紀 70 年代以來，已分離和提取出 400 多種限制性內切酶，人們可以利用它們隨心所欲地對 DNA 分子進行長鏈切割。表 4-3 列出了壹些限制性內切酶的識別位點
1976 年，五個實驗室的科學家幾乎同時發現並提取了壹種酶--DNA 連接酶。從那時起，DNA 連接酶就成了將基因 "粘合 "在壹起的 "分子膠水"。典型的 DNA 重組包括五個步驟：
（1）獲得目的基因
目前，獲得目的基因的方法主要有三種：反轉錄、直接從細胞基因組中分離和人工合成。
反轉錄是壹種通過反轉錄 mRNA 獲得目的基因的方法。現在人們已經用這種方法合成了兔、鴨和人的珠蛋白基因、羽毛角蛋白基因等。
從細胞基因組中直接分離目的基因常用鳥槍法，因為這種方法就像用獵槍打鳥壹樣，所以又叫獵槍法。鳥槍法分離目的基因具有簡單、方便、經濟等優點。許多病毒和原核生物、壹些真核生物的基因都是用這種方法成功分離出來的。
目標基因的化學合成是 20 世紀 70 年代以來發展起來的壹項新技術。運用化學合成法，可以在短時間內合成目的基因。科學家們先後合成了人類生長激素釋放抑制因子、胰島素和幹擾素等蛋白質的編碼基因。
（2）DNA分子的體外重組
體外重組是將載體與目標基因連接。例如，當使用質粒作為載體時，首先選擇合適的限制性內切酶切割目的基因和載體，然後使用 DNA 連接酶連接切割兩端的脫氧核苷酸。這樣，目的基因就被置入質粒 DNA 中，通過重組形成壹個新的環狀 DNA 分子（雜交 DNA 分子）。
（3）DNA重組子的導入
目的基因載入載體後，需要將其導入受體細胞。導入的方法有多種，主要包括轉化、轉導、顯微註射、粒子轟擊和電穿孔。轉化和轉導主要適用於細菌等原核細胞和酵母等低等真核細胞，其他方法主要適用於高等動植物細胞。
（4）受體細胞的篩選
由於 DNA 重組體的轉化成功率不太高，因此需要從大量細胞中挑選出成功轉染成 DNA 重組體的細胞。應事先找到特定的標記，以證明導入是否成功。例如，我們常用抗生素來證明導入是否成功。
（5）基因表達
目的基因成功導入受體細胞後，必須通過合成新的蛋白質來表達其攜帶的遺傳信息，從而改變受體細胞的遺傳性狀。目標基因要在受體細胞中表達，需要滿足壹些條件。例如，目的基因利用受體細胞的核糖體合成蛋白質，因此目的基因必須包含壹個功能片段，啟動受體細胞核糖體的工作。
這五個步驟代表了基因工程的壹般過程。
人們掌握基因工程技術的時間並不長，但已經取得了許多具有實際應用價值的成果。作為現代生物技術的核心，基因工程將在社會生產實踐中發揮越來越重要的作用。關於細胞工程的定義和範圍，目前還沒有壹個統壹的說法，壹般認為細胞工程是根據細胞生物學和分子生物學的原理，利用細胞培養技術在細胞水平上進行的遺傳操作。細胞工程大致可分為染色體工程、細胞質工程和細胞融合工程。1、細胞培養技術
細胞培養技術是細胞工程的基礎技術。所謂細胞培養，就是將生物機體的某壹部分組織取出壹小塊進行培養，使其生長、分裂的技術。細胞培養也叫組織培養。近二十年來細胞生物學中壹些重要理論研究的進展，如細胞全能性的揭示、細胞周期及其調控、癌變機制和細胞衰老的研究、基因表達與調控等，都離不開細胞培養技術。
在體外細胞培養中，供給離開整個動植物細胞所需的營養的是培養基，培養基除了富含營養物質外，壹般還含有壹些刺激細胞生長發育的微量物質。培養基壹般有固體和液體兩種，使用前必須經過滅菌處理。此外，溫度、光照、振蕩頻率等也是影響培養的重要條件。
植物細胞和組織培養的基本過程包括以下幾個步驟：
第壹步，從健康植物的特定部位或組織（如根、莖、葉、花、果實和花粉）中選擇用於培養的起始材料（外植體）。
第二步是用某些化學品（最常用的是次氯酸鈉、升汞和酒精）對外植體表面進行消毒，以建立無菌培養體系。
第三步，形成愈傷組織和器官，從愈傷組織中再分化出芽，並可進壹步誘導形成小植株。
動物細胞培養有兩種方法。壹種叫非貼壁培養：即細胞在培養過程中不貼壁，條件較復雜，難度較大，但容易同時獲得大量培養細胞。這種方法壹般用於培養淋巴細胞、腫瘤細胞和壹些轉化細胞。另壹種是貼壁培養：又稱細胞貼壁，貼壁後細胞呈單層生長，所以這種方法也叫單層細胞培養。大多數哺乳動物細胞必須用這種方法培養。
動物細胞不能進行體外培養，以人的皮膚細胞培養為例，動物細胞培養的主要步驟如下：
第壹步，在無菌條件下從健康動物身上取出適量組織，切成小薄片。
第二步是加入適量濃度的酶和消化輔助物質，使細胞分散。
第三步，將分散的細胞洗凈、純化，然後加入適當濃度的培養液中，37℃培養，適時傳代。(圖 4-31）
在細胞培養中，我們經常會用到壹個詞--克隆。克隆壹詞音譯自英文單詞clone，指無性繁殖和由無性繁殖產生的細胞或生物群體。克隆細胞就是無性繁殖的細胞系。自然界中早就存在自然克隆；例如，同卵雙胞胎實際上就是壹種克隆。
基因工程又稱分子克隆（分子克隆），由科恩等人於 1973 年提出。分子克隆發生在DNA分子水平上，是指從壹種細胞中提取壹種基因作為外源基因，在體外將其連接到載體上，然後導入另壹種受體細胞中進行自主復制，從而獲得DNA分子的無性系。
2、細胞核移植技術
由於克隆是無性繁殖，所以同壹克隆體中所有成員的基因組成完全相同，有利於忠實地保持原有品種的優良特性。人們開始探索利用人工方法進行高等動物克隆。哺乳動物的克隆方法主要有胚胎分割法和細胞核移植法。其中，細胞核移植是壹項發展較晚但潛力巨大的新技術。
細胞核移植技術屬於細胞質工程學。所謂細胞核移植技術，是指利用機械方法將被稱為 "供體細胞 "的細胞核（包括遺傳物質）移植到另壹個去除了細胞核的被稱為 "受體細胞 "的細胞中，然後再將這種重組的細胞進壹步發育、分化。細胞核移植的原理是基於動物細胞核的全能性。
1938年，壹位德國胚胎學家首次提出了通過核移植克隆動物的想法。從1952年開始，科學家首先利用兩棲動物進行細胞核移植克隆實驗，先後獲得了蝌蚪和成蛙。1963 年，我國科研小組在童第周教授的領導下，以金魚等為材料，研究魚類胚胎細胞核移植技術，並取得成功。直到1995年，在主要哺乳動物中，胚胎細胞核移植都獲得了成功，但對已分化的成年動物進行細胞核移植卻壹直沒有成功。
1996年，在英國愛丁堡的羅斯林研究所，伊恩-威爾穆特的研究小組利用細胞核移植技術成功培育出克隆羊多利，這是世界上第壹只利用成年哺乳動物的體細胞進行細胞核移植培育出的克隆動物。圖 4-33 克隆羊示意圖。
在細胞核移植中，並非所有細胞都能用作細胞核供體。有兩類細胞可以作為供體細胞：胚胎細胞和某些體細胞。
研究表明，卵母細胞、卵細胞和受精卵細胞都是合適的受體細胞。
2000年6月，我國西北農林科技大學利用成年山羊細胞克隆了兩只 "克隆羊"，表明我國科學家也已掌握了哺乳動物體細胞核移植的尖端技術。
核移植研究，不僅在探索動物細胞核全能性、細胞核與細胞質的關系等重要理論問題上具有重要的科學價值，而且在畜牧業生產中也具有十分重要的經濟價值和應用前景。
3、細胞融合技術
細胞融合技術屬於細胞融合工程。細胞融合技術是獲得雜交細胞以改變細胞性能的壹種新技術，它是指利用融合誘導劑在離體條件下，將同種或異種體細胞人工融合形成雜交細胞的過程。細胞融合是細胞遺傳學、細胞免疫學、病毒學、腫瘤學等研究的重要手段。
動物細胞融合的主要步驟有：
第壹步是獲得親本細胞。取樣組織經胰蛋白酶處理或機械分離細胞，分別進行貼壁培養或懸浮培養。
第二步是誘導融合。將兩個親本細胞放在相同的培養基中進行細胞融合。動物細胞的融合過程壹般是：兩個細胞緊密接觸→細胞膜合並→出現細胞間通道或細胞橋→細胞橋數量增加，通道面積擴大→兩個細胞融合為壹體。
植物細胞融合的主要步驟是：
第壹步是制備親本原生質體。
第二步是誘導融合。
微生物細胞融合的步驟與植物細胞融合基本相同。
20世紀70年代以來，成功的細胞融合有很多種，植物之間、動物之間、植物與動物之間，甚至人體細胞與動植物之間都有成功融合的新型雜交植物，如 "番茄馬鈴薯"、"擬南芥油菜"、"蘑菇白菜 "等。(圖 4-36 展示了利用細胞融合培育雜交植物的過程。）從目前的技術水平來看，人們還無法將許多遠緣細胞融合後培育成雜交個體，尤其是動物細胞，更是難以做到這壹點。現代發酵工程。又稱微生物工程，是指運用現代生物工程技術手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產有用的產品，或直接將微生物應用於工業生產的過程。發酵是微生物的獨特作用，早在幾千年前就已被人類認識，並用來制作酒、面包等食品。20 世紀 20 年代主要是酒精發酵、甘油發酵和丙醇發酵等。20 世紀 40 年代中期美國抗菌素工業的興起、青黴素的大規模生產以及日本谷氨酸（味精）發酵的成功，極大地促進了發酵工業的發展。
20世紀70年代，基因重組技術、細胞融合等生物工程技術迅速發展，發酵工業進入現代發酵工程階段。不僅生產酒精飲料、醋酸和面包，還生產胰島素、幹擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種保健藥品，生產天然殺蟲劑、細菌肥料和微生物除草劑等農業生產資料，生產氨基酸、香料、生物聚合物、酶制劑、維生素和單細胞蛋白等化工產品。
概括地說，發酵工程包括三個部分：上遊工程、發酵工程和下遊工程。其中，上遊工程包括優良菌種的選育、最佳發酵條件（pH 值、溫度、溶解氧和營養成分）的確定以及營養物質的制備。發酵工程主要是指在最佳發酵條件下，在發酵罐中大量培養細胞和生產代謝產物的工藝技術。下遊工程是指從發酵液中分離和提純產品的技術。
發酵工程的步驟壹般包括：
第壹步，菌種選育。
第二步，培養基的制備和滅菌。
第三步，擴大培養和接種。
第四步，發酵過程。
第五步，分離純化。
發酵工程廣泛應用於制藥業、食品工業、農業、冶金工業和環境保護等諸多領域。酶工程是指利用酶、細胞或細胞器等特定的催化功能，借助生物反應裝置，通過壹定的工藝手段，生產出人類所需的產品。它是酶學理論與化學技術相結合而形成的壹門新技術。
酶工程，可以分為兩部分。壹部分是如何生產酶，壹部分是如何應用酶。
酵素的生產大致經歷了四個發展階段。最初是從動物內臟中提取酵素，隨著酶工程的進展，人們利用大量培養的微生物獲得酵素，基因遺傳工程誕生後，通過基因重組改造產酶微生物，近年來，酶工程又成為壹個新的熱門話題，即人工合成新的酵素，也就是人造酵素。
酶在使用過程中也有壹些缺點。如高溫、強酸、強堿會失去活性，成本高、價格昂貴等。在實際應用中，酶只能使用壹次等。使用酶固定化技術可以解決這些問題，它被稱為酶工程的中心。
60年代初，科學家發現許多酶經過固定化後，活性絲毫沒有降低，穩定性反而提高了。這壹發現是酶的普及和應用的轉折點，也是酶工程發展的轉折點。如今，酶的固定化技術日新月異。具體表現在兩個方面：
壹是固定化方法。目前固定化方法主要有四大類：吸附法、****valent bonding法、交聯法和包埋法。
二是固定化酶，有多種酶催化壹系列反應。
與天然酶相比，固定化酶和固定化細胞具有明顯的優勢：
1.
<>1.可制成顆粒、管狀、膜狀等各種形狀，安裝在反應罐中，取出方便，便於連續重復使用。2.穩定性提高，不易失去活性，延長使用壽命。
3.便於自動化操作，可實現計算機控制的連續生產。
目前，已有幾十個國家采用固定化酶和固定化細胞進行工業生產，產品包括酒精、啤酒、各種氨基酸、各種有機酸和藥品等。