Inżynieria genetyczna jest nauką, która łączy w sobie zagadnienia wielu dziedzin nauki; oprócz chemii, czy biologii niezbędne jest zastosowanie najnowszych osiągnięć techniki, informatyki i matematyki. Stała się także narzędziem, dzięki któremu możemy zmieniać organizmy żywe na najwcześniejszych etapach ich życia. Domeną chemików jest sama możliwość otrzymywania określonych substancji chemicznych (głównie białek) poprzez produkcję ich przez specjalnie zmodyfikowane organizmy. Do zadań biologii natomiast, należy badanie wpływu przeprowadzonych zmian na genom, białko które powstaje, komórkę, która je produkuje i wreszcie na cały organizm. Niewątpliwą zaletą i osiągnięciem współczesnej inżynierii genetycznej jest wprowadzanie do gnomów pojedynczych genów o ściśle określonej funkcji. W związku z takimi osiągnięciami zmienia się także sama biologia, która do tej pory pojmowana była jako nauka opisująca procesy i budowę organizmów, w niewielkim stopniu ingerując w nie, by zbadać do głębi mechanizmy patogenetyczne. Obecnie zmiany, których można dokonać dotyczą samego sedna życia, ponieważ geny determinują cały przyszły rozwój i wzrost organizmu, a dokonując jednej, niewielkiej zmiany mamy wpływ na całe przyszłe życie tegoż organizmu.

Techniką, jaką stosuje się w inżynierii genetycznej to zmiana komórek (eukariotycznych i prokariotycznych) poprzez wprowadzanie obcych dla nich genów na specjalnych nośnikach (wektorach). W przypadku organizmów jednokomórkowych efekty dokonanej zmiany są widoczne bardzo szybko, ponieważ zmiana dotyczy całego organizmu. Zmiany dokonywane na organizmach bardziej złożonych wymagają innych technik i samego postępowania, przy którym wziąć pod uwagę należy o wiele więcej czynników i ewentualnych skutków ubocznych takiej zmiany. Nie bez znaczenia jest także płciowe rozmnażanie zwierząt wyższych, ponieważ oprócz komórek somatycznych ciała, wytwarzają one także komórki linii płciowej, o zmniejszonej ilości DNA. Jedna z metod zakłada zmianę wyłącznie jednego typu komórek, a są to komórki somatyczne. Są to już komórki zróżnicowane. Aby tego dokonać trzeba na początku pobrać komórki z organizmu, który ma być poddany modyfikacji, a następnie umieścić je w warunkach laboratoryjnych na odpowiednich pożywkach, tak by mogły się dzielić i dojrzewać. Następnie do takich komórek wprowadza się wektor, który niesie pożądany gen lub odcinek cDNA. Po tym zabiegu komórki na powrót umieszcza się w organizmie, z którego zostały pobrane. Taki sposób transformacji komórek może być wykorzystany w terapii genowej chorób o podłożu genetycznym. Obecnie przeprowadza się takie badania z wykorzystaniem komórek pochodzących ze szpiku kostnego ssaków. Jak wiadomo w szpiku znajdują się komórki dające początek komórkom krwi. Z kilu metod dokonywania zmian w genomach, najbardziej popularną jest wprowadzanie odpowiedniego odcinka cDNA do genomu z wykorzystaniem wektorów, którymi są genomy retrowirusowe. Jednym z pierwszych przykładów zastosowania modyfikacji genetycznych jako terapii genowej było zamienienie zmutowanego genu na gen prawidłowy u dzieci, które cierpiały z powodu znacznego upośledzenia układu odpornościowego, które jest spowodowane wadą genetyczną. Osoby takie rodzą się z oboma allelami recesywnymi genu kodującego dezaminazę adenozynową, enzymu, który jest niezbędny w różnicowaniu się i funkcjonowaniu limfocytów, a ta homozygotyczność objawia się jako choroba. Nowy gen wprowadzany jest bezpośrednio do limfocytów. Podobne plany terapii genowej dotyczą innych chorób związanych z krwinkami.

Zmiany takie widoczne są tylko u jednego, zmodyfikowanego organizmu, natomiast nie są dziedziczone. Dzieje się tak dlatego, że transformacji podlegają tylko komórki somatyczne, już zróżnicowane, a komórki rozrodcze różnicują się bardzo wcześnie i wprowadzane zmiany już ich nie dotyczą. Zatem, aby transformacja była przekazywana przyszłym pokoleniom, należy ją przeprowadzić na komórkach linii płciowej. Jak dotąd modyfikacje takie dokonywane są na niewielkich zwierzętach laboratoryjnych, poczynając od muszki owocowej po drobne ssaki (myszy, szczury), a także na roślinach. Transformacje na genomie komórek linii płciowej muszki dokonywane były przy wykorzystaniu jako wektora transpozonu, zwanego elementem P. Umieszcza się w nim odpowiedni gen, a następnie umieszcza w zarodku muszki, który znajduje się na wczesnym etapie rozwoju. Taki transpozon po dostaniu się do komórki włącza się do jej genomu, wraz z wprowadzonym sztucznie genem. Rozwijające się z zarodków muszki posiadają wówczas wprowadzony gen także w komórkach linii płciowej, a nie tylko w komórkach somatycznych, a zatem możliwe jest dziedziczenie nowej cechy kodowanej przez wprowadzony gen. Tak zmodyfikowane muszki, czy też inne organizmy, które zdolne są do przekazywania nowej cechy organizmom potomnym to organizmy transgeniczne, natomiast wprowadzony sztucznie gen to transgen. Ta technika inżynierii genetycznej budzi wielkie nadzieje i pokazuje nowe możliwości w badaniu funkcjonowania organizmów, łącznie z najbardziej skomplikowanymi i ukrytymi głęboko w komórce mechanizmami rządzącymi jej funkcjonowaniem. Możliwe jest między innymi zbadanie funkcji odcinków DNA znajdujących się w bezpośrednim otoczeniu ważnego funkcjonalnie genu i ich wpływu na jego ekspresję. Ma to duże znaczenie, ponieważ bardzo często nowy gen wprowadzony do genomu zajmuje w nim inne miejsce niż gen jemu odpowiadający. Ponadto takie wprowadzenie transgenu jest za każdym razem odmienne, a ten sam gen może być wprowadzany w różne miejsca genomu, np. na różne chromosomy. A zatem muszą być też elementy regulatorowe towarzyszące transgenowi, pozwalające na jego ekspresję. Takie przypadki włączania transgenu w różne miejsca pozwalają na wykrycie tych sekwencji. Duże znaczenie ma także umieszczanie transgenu w komórkach różnego rodzaju i w różnych stadiach rozwoju. Podobnie do muszki owocowej naukowcy zainteresowali się wprowadzaniem transgenów do gnomów ssaków. Najpopularniejszym ssakiem laboratoryjnym, wykorzystywanym do doświadczeń jest mysz i to właśnie ona została poddana eksperymentowi najpierw. Myszy modyfikowane genetycznie pod ściśle określonym kątem, by wykazywały określone przez naukowców cechy są bardzo przydatne w wielu badaniach z różnych dziedzin biologii. Myszy, jak i inne zwierzęta, w tym koty, szczuty, chomiki, owce itd. są wykorzystywane także do otrzymywania specyficznych białek na szeroką skalę, a naukowcy poszukują, które ze zwierząt i jak zmienione najlepiej nadaje się do syntezy różnych substancji.

Myszy ze zmodyfikowanym gnomem otrzymuje się kilkoma sposobami, ale jednym z najpowszechniejszych jest wstrzykiwanie transgenu do jądra komórkowego wcześniej zapłodnionego jaja. Następnie wczesny zarodek wprowadza się do macicy organizmu matczynego. Wówczas wprowadzone DNA wbudowuje się w jego genom, a jest to na tyle wcześnie, że komórki linii płciowej też posiadają wprowadzony, obcy gen, a zatem cecha, którą koduje ten gen będzie widoczna także u potomstwa. Potomstwo to jest poddawane dokładnym badaniom w związku z tym, że nie wiadomo, gdzie włączony został transgen i gdzie nastąpi jego ekspresja, a także jakie spowoduje to skutki. Wprowadzane do komórki transgeny posiadają ze sobą zwykle podstawowe sekwencje regulujące ich ekspresję, ale niekiedy bardziej wygodnym rozwiązaniem jest połączenie sekwencji regulatorowych z genem, który koduje łatwo wykrywalne substancje. Umożliwia to dodatkowe badania nad transgenami. Oprócz badania wpływu sekwencji regulatorowych, bada się również wpływ transgenu i białek, które koduje na poszczególne komórki i wreszcie cały organizm. Takie obserwacje ułatwia połączenie kodującego odcinka DNA z odcinkiem zawierającym geny regulatorowe, które zapewnią ekspresję tym genom.

Myszy transgeniczne pozwoliły naukowcom na zdobywanie wielu cennych informacji o funkcjonowaniu organizmu i jego stanów patologicznych. Jednym z przykładów może być ekspresja genu kodującego insulinę. Gen ten jest zależny od fragmentu DNA, który znajduje się na nici nad nim, a który hamuje jego ekspresję, ale tylko w niektórych komórkach trzustki. Eksperyment polegał na wprowadzeniu do zapłodnionej, mysiej komórki jajowej fragmentu DNA, który stworzony był sztucznie, a zawierał onkogenu wirusa SV40 oraz geny regulatorowe dla genu kodującego syntezę insuliny. W związku z wczesnym wprowadzeniem tej cząsteczki do komórki gen był dziedziczony. Onkogenu, który w takim przypadku jest zależny od promotora genu kodującego insulinę, a zatem będzie ulegał ekspresji w komórkach trzustki, które ją syntezują. Wyniki badań potwierdziły, że duży antygen T, który jest onkogenem wirusa SV40 prowadził do powstawania nowotworów w komórkach produkujących insulinę w trzustce. Zatem udowodniono, że ekspresja genu zależna jest od ściśle określonej sekwencji regulatorowej, która umiejscawia ekspresję w określonym typie komórek. Aby potwierdzić jeszcze to odkrycie zastosowano zamiast sekwencji regulatorowych genu kodującego insulinę, regulatory genu kodującego elastazę, która jest także hormonem produkowanym w trzustce, ale przez inne komórki. W wyniku tej zamiany nowotwory zaczęły powstawać, jak przypuszczano w komórkach syntezujących elastazę. Badania tego typu na onkogenach pozwoliły na poszerzenie wiedzy na temat ich ekspresji i zależności od miejsca ekspresji oraz sekwencji regulatorowych. Wiedza taka pozwala na bardzie zaawansowane niż do tej pory badania nad środkami farmakologicznymi, które mogłyby leczyć nowotwory, lub im zapobiegać. Do tego celu wykorzystuje się właśnie genetycznie zmodyfikowane myszy. To także na nich bada się obecnie skuteczność leków w walce z chorobami nowotworowymi.

Zastosowanie inżynierii genetycznej w badaniach nad roślinami jest równie powszechne, co nad organizmami zwierzęcymi. Służy to głównie poznaniu podstawowych procesów życiowych roślin. Przede wszystkim znaczenie ma różnicowanie się komórek i tkanek, a także wpływu światła na ekspresję genów. Duże znaczenie ma także modyfikowanie roślin ważnych dla rolnictwa i przemysłu. Zmian takich dokonuje się podobnie jak u zwierząt przez wprowadzenie pożądanego genu poprzez połączenie go z odpowiednim wektorem w warunkach in vitro. Wystarczy zmodyfikować jedną komórkę, by móc wyhodować z niej całą roślinę droga rozmnażania wegetatywnego. Najczęściej stosowaną metodą wprowadzania transgenu jest połączenie go z wektorem plazmidowym pochodzenia bakteryjnego. Jedynym takim przypadkiem znanym w przyrodzie jest wprowadzanie DNA bakteryjnego (Agrobacterium tumefaciens) wraz z plazmidami do korzeni roślin. Rezultatem obecności tych genów jest rakowata narośl. Odbywa się to poprzez wprowadzanie owej bakterii do rośliny w miejscu zranienia. Wówczas plazmidy przedostają się do jądra komórek, gdzie następnie są wbudowywane w genom rośliny. Z tak zmienionych rakowych komórek rośliny można otrzymać całe organizmy, zupełnie zdrowe. Wykorzystując ten naturalny mechanizm, naukowcy wprowadzają specjalnie przygotowane do tego celu geny i włączają je do plazmidowego DNA (Agrobacterium tumefaciens), a następnie do materiału genetycznego rośliny. W taki właśnie sposób wprowadzono wiele różnych genów do roślin. Do roślin uprawnych, ważnych gospodarczo wprowadza się geny poprawiające plonowanie, wzmacniające odporność na różne choroby i pasożyty. Można także wprowadzić do roślin geny, które odpowiadają za syntezę substancji, zupełnie obcych dla roślin, a które przydatne byłyby dla człowieka. Innym aspektem jest wprowadzanie do kwiatów genów odpowiadających za poprawę koloru płatków, czy odpowiadających za to, że mogą być długo przechowywane i nie więdną itp.

Poza już dość rozpowszechnionym modyfikowaniem gnomów poprzez umieszczanie w nich określonych genów, odpowiadających za cechy, które chce się uzyskać oraz by poznać znaczenie sekwencji regulatorowych, naukowcy modyfikują je jeszcze w innym celu i w inny sposób. Aby dowiedzieć się, za jakie cechy i funkcje organizmu odpowiada dany gen zaczęto wprowadzać transgeny w miejsca genomu, w których znajdowały się ważne dla jego rozwoju geny. Jak dotąd nie jest możliwe precyzyjne ustalenie miejsca włączenia się transgenu, więc zależy to w dużej mierze od przypadku. Dlatego też można w takiej sytuacji zbadać też wpływ samego umiejscowienia transgenu na chromosomie i wpływu sekwencji, które znajdują się z jego pobliżu na jego ekspresję. Przez takie przypadkowe włączanie transgenów można łatwo wykryć geny kluczowe dla rozwoju organizmu, ponieważ skutki zakłóceń, jakie powoduje transgen są bardzo dobrze widoczne. Dzieje się tak, ponieważ gen mający znaczenie dla prawidłowego rozwoju w czasie włączenie do niego transgenu ulega mutacji. Dzieje się tak również w przypadku sekwencji regulatorowych ważnych genów. Mutacja następuje nawet wtedy, kiedy transgen nie ulega ekspresji. Mutacje takie to insercje, a były jeszcze niedawno jednym z podstawowych narzędzi przeprowadzania eksperymentów genetycznych na organizmach laboratoryjnych. Mutacje takie mogą być też wywołane przez zakażenie retrowirusem zarodka na wczesnym etapie rozwoju. Oczywiście zmiana taka będzie wówczas dziedziczna. Jeśli transgen zostanie wbudowany właśnie w miejsce występowania istotnych genów to zostanie zaburzona jego ekspresja. Może nastąpić jego całkowite unieczynnienie, częściowe zablokowanie lub wzmocnienie. W przypadku mutacji, które mają miejsce w okolicach onkogenów powodujące ich uaktywnienie, prowadzą do rozwoju nowotworów.

Większość takich badań wykonywanych jest obecnie na myszach. A zatem pierwsze pokolenie myszy, które zostały zmienione posiada w swoim genomie zwykle tylko jeden allele wprowadzonego sztucznie genu. Aby otrzymać organizmy, które będą posiadały oba allele tego genu prowadzi się chów wsobny. Wówczas cechy wywoływane przez transgen są lepiej widoczne i z większą częstotliwością pojawiają się w populacji. Jeśli takie cechy są ewidentne u danego osobnika, to można taki zmutowany gen poddać klonowaniu, nawet jeśli jego lokalizacja nie jest do końca znana, to zawiera on wektor, na którym został wprowadzony do komórki. Nie jest to zbyt skomplikowany proces, a wymaga jedynie użycia np. sond molekularnych, które skonstruowane są tak, by były komplementarne z DNA wektora. Poznanie i stworzenia bazy takich genów znacznie pomaga w późniejszej identyfikacji różnego rodzaju wad genetycznych, kiedy mogą być jeszcze we wczesnym stadium wyleczone. Jednak wiele z takich mutacji jest letalna, a śmierć następuje jeszcze przed urodzeniem, co powoduje wydalenie płodu z macicy. Ma to miejsce zwłaszcza w przypadku genów kluczowych dla dalszego rozwoju. A zatem często przypadkowe insercje transgenu, dokładnie przebadanie dają olbrzymią wiedzę, która może być wykorzystana w przyszłości. Byćmoże wcześnie wykryta mutacja będzie uleczalna dzięki terapii genowej. Wszystkie te obserwacje dokonane na myszach doskonale sprawdzają się także w odniesieniu do organizmu ludzkiego.