第一次從大腸桿菌中提取出了限制性核酸內切酶的人包括丹尼爾內森斯、漢彌爾頓史密斯以及誰?
沃納阿爾伯
第一步是選擇並分離將被插入到遺傳修飾的生物體中的基因。要把目的基因從供體DNA長鏈準確地剪下下來，可不是一件容易的事。1968年，沃納阿爾伯、丹尼爾內森斯和漢彌爾頓史密斯第一次從大腸桿菌中提取出了限制性核酸內切酶，它能夠在DNA上尋找特定的切點，認準後將DNA分子的雙鏈交錯地切斷。人們把這種限制性內切酶稱為分子剪刀。這種分子剪刀可以完整地切下個別基因。自1970年以來，人們已經分離提取了400多種分子剪刀。有了形形色色的分子剪刀，人們就可以隨心所欲地進行DNA分子長鏈的切割了。可以使用限制酶分離基因以將DNA切割成片段並進行凝膠電泳，以根據長度將它們分離出來。聚合酶鏈反應也可以用於擴增基因區段，然後可以通過凝膠電泳分離。如果所選擇的基因或供體生物體的基因組已經被充分研究，它可以存在於基因庫中。如果DNA序列已知，但沒有該基因的拷貝可用，則可以人工合成。要插入遺傳修飾的生物體中的基因必須與其它遺傳元件組合以使其正常工作。還可以在該階段修飾基因以更好地表現或有效性。除了要插入的基因之外，大多數構建體含有啟動子和終止子區以及選擇標記基因。啟動子區基因的轉錄，並且可以用於控制基因表現的位置和水平，而終止子區終止轉錄。在大多數情況下賦予其在其中表現的生物體抗生素抗性的選擇性標記，需要確定哪些細胞用新基因轉化。
數千年來，人類通過選擇性育種或人工選擇。近年來，逐漸通過誘變改變了物種的基因組。而遺傳工程作為直接操縱DNA、由人外部育種和突變是自20世紀70年代產生的。遺傳工程這個術語最早由傑克威廉姆森在1951年—也就是DNA在在遺傳中的作用得到了阿弗雷德•赫希和瑪莎•蔡斯的證實的前一年—出版的科幻小說龍之島中創作。1953年，詹姆斯華生和弗朗西斯克里克發現DNA分子具有雙螺旋結構。斯丹利•溫鮑姆的1936年的科幻故事普羅透斯島中探索了直接遺傳操作的一般概念。1972年，保羅•伯格通過將來自猴病毒SV40的DNA與λ病毒的DNA結合而產生了第一個重組DNA分子。在1973年，赫伯特•博耶和斯坦利•科恩通過將抗生素抗性基因插入到大腸桿菌細菌的質體中而產生了第一個基因轉殖生物。一年後，魯道夫耶尼施通過將外來DNA引入其胚胎中建立了一種基因轉殖小鼠，使其成為世界上第一個基因轉殖動物這些成就導致了科學界對基因工程的潛在風險的關注，這些問題首先在1975年的阿西洛馬會議上進行了深入討論。這次會議的主要建議之一是，在技術的安全性得到確認之前政府應加強對重組DNA研究的監督。 1976年，赫伯特•博耶和羅伯特•史旺森創立了遺傳工程公司基因泰克，該公司在大腸桿菌中生產了人類蛋白體抑素。 基因泰克在1978年宣布生產基因轉殖生產的人胰島素。1980年，美國最高法院在Diamond訴Chakrabarty案中裁定，遺傳改變的生命可以獲得專利。此種藉由細菌生產的胰島素以優泌林作為品牌名稱，在1982年經美國食品藥物監督管理局批准銷售。
大腸桿菌的某些株具有毒性，可以導致食物中毒，這通常是因爲使用了被污染的肉類。疾病的嚴重程度可以相差很多，尤其對兒童、老人和免疫缺失病人可以是致命的，但通常是溫和的。大腸桿菌的內毒素可能對熱穩定或不穩定。後者的結構和功能與霍亂毒素相當接近，全毒素包含一個甲亞基和五個乙亞基。乙亞基起黏附作用，使毒素進入腸道細胞，而甲亞基斷裂出來，使得細胞脫水引起腹瀉。大腸桿菌是現代生物學中研究最多的一種細菌，作爲一種模式生物，其基因組序列已全部測出。用分子生物學方法在大腸桿菌得出的結論可用於其它生物的研究。此外，在生物工程中，大腸桿菌被廣泛用於基因複製和表達的宿主。
合成代謝是一系列合成型代謝進程的總稱。一般而言，用於組成細胞結構的複雜分子都是從小且簡單的前體一步一步地構建而來。合成代謝包括三個基本階段：首先生成前體分子，如胺基酸、單醣、類異戊二烯和核苷酸；其次，利用三磷酸腺苷水解所提供的能量，這些分子被活化而形成活性形式；最後，它們被組裝成複雜的分子，如蛋白質、多醣、脂類和核酸。不同的生物體所需要合成的各類複雜分子也互不相同。自營生物，如植物，可以在細胞中利用簡單的小分子，如二氧化碳和水，來合成複雜的有機分子如多醣和蛋白質。異營生物則需要更複雜的物質來源，如單醣和胺基酸，來生產對應的複雜分子。生物體還可以根據它們所獲得的能量來源的不同而被細分為：獲取光能的光能自營生物和光能異營生物，以及從無機物氧化過程或的能量的化能自營生物和化能異營生物。