Як відомо, здатність організмів синтезувати ті чи інші біомолекули, в першу чергу білки, закодовано в їх геномі. Тому достатньо «добавити» потрібний ген, взятий із іншого організму, в бактеріальну клітину, яка здатна рости в простих умовах і швидко розмножуватися. Але спроби провести перенос бактерії безпосередньо геномної ДНК призвели до суперечливим результатам. Тільки в 70-ті роки отримані результати з застосування так званої векторної трансформації. В основі цього методу – використання векторних молекул – ДНК, які мають здатність переносити гени, які вони містять в клітину, де ці молекули реплікують автономно або після інтеграції з геном. Вирішальну роль в цих експериментах відіграли також методи тримання індивідуальних генів, створення їх в необхідній кількості шляхом клонування, тобто є практично не обмежуваного розмноження в бактеріальних клітинах.
В основі всіх досягнень генетичної інженерії лежить одна із властивостей будови генома бактерій – наявність в них не великих, відрізняючись від хромосом, кільцевих молекул ДНК, які мають назву плазміди. Плазміди широко розповсюджені в природі і зустрічаються в меншій кількості прокаріотичних організмів, а також у нижчих еукаріот – дріжджі. Важливою властивістю плазмід є їх здатність реплікуватися (розмножуватися) разом з ДНК клітини – хазяїна, і тому в останній час їх вважають внутрішньоклітинними паразитами, але симбіонтами. Клітини – хазяїни не потребують в плазмідах для виживання в простих умовах, але часто плазміди надають їм ряд особливих властивостей. Плазміди надають їм здатність до статевого розмноження (F - фактор), стійкість до антибіотиків і дезінфікуючих речовин (R - фактор), можливість засвоєння деяких складних органічних речовин, наприклад, вуглеводів.
Основна маса дослідів, які призвели до розвитку генної інженерії, проводилися на класичному об’єкті мікробіологів – кишковій паличці Esherichia coli. За допомогою спеціальних ферментів – ендонуклеаз рестрикції, або рестриктаз, плазміда, яка несе який-небуть маркерний ген, наприклад, ген стійкості до певного антибіотику, розрізається в певному місці з кожної сторони декількох (від 1 до 5) неспарених основ – «липких кінців». За допомогою таких же рестриктаз отримують фрагмент геному організма донора, який несе в собі потрібний ген, наприклад, ген людського інсуліну. В останній час донорна ДНК частіше отримують шляхом «пришивання» «липких кінців» до молекули ДНК, отриманої шляхом зворотної транскрипції з матричної РНК потрібного гену (кДНК). Головну роль тут відіграє фермент зворотна транскриптаза, або ревертаза, вперше відкрита у ретро вірусах (таких як ВІЧ і деякі збудники злоякісних новоутворень – онковірусів). Алі за рахунок комплементарної взаємодії неспарених основ «липких кінців» відбувається включення потрібного гена в плазміду, при цьому утворюється нова рекомбінантна (гібридна) ДНК. Завершує процес фермент ДНК- лігаза, який ковалентно зашиває розриви в ланцюгах ДНК.
Наступний етап – перенос рекомбінатної плазміди в бактерію. Такий процес – включення чужорідної ДНК в бактеріальну клітину – має назву трансформації, а молекула ДНК – вектор. Це явище інколи зустрічається в природі, що говорить про те, що трансформація – це природній біологічний процес. В природніх умовах трансформація зустрічається у таких бактерій, як збудник пневмонії Diplococcus pneumonia і Bacillus subtilis. Необхідною умовою трансформації є синтез бактеріями особливого білка компетентності, що проходить тільки під час активного росту колоній мікроорганізмів. Бактерії з трансформованими плазмідами легко відібрати: вони здатні рости в присутності антибіотика, проти якого в плазміді наявний ген стійкості.
Другий спосіб складання векторних молекул використовує бактеріофаги – особливу групу вірусів, які заражають виключно бактерії. Найбільш широке застосування отримав бактеріофаг λ. Середня частина геному цього вірусу не несе в собі важливих функцій і може бути замінена на чужорідний фрагмент ДНК. В наш час існує дуже багато векторів, сконструйованих на основі різноманітних плазмід і бактеріофагів.
Відносно складніше піддаються генетичні модифікації еукаріотичні мікроорганізми, до яких відносяться гриби, протисти, рослини і тварини. Найбільше значення як для біологічних виробництв, та для генетичних досліджень мають пекарські дріжджі Saccharommyces cerevisiae. Як і у бактерії, у них наявні плазміди, але використання їх в якості векторів часто являється не дуже ефективним. Тому для того, щоб виник стабільний трансформант, необхідні два послідовні явища: проникнення рекомбінантної ДНК в клітину і її інтеграція в хромосомну ДНК. Такий метод називається інтегративною трансформацією. В подальшому генно – інженерне конструювання у дріжджів пішло по шляху створення кільцевих плазмід з центромерами, особливими ділянками ДНК, забезпечуючи ми зв'язок з білками веретина поділу і, як наслідок, рівномірний розподіл таких плазмід між двома клітинами під час мітозу. Розвиток цього підходу призвело до створення цілих штучних міні – хромосом, які мають в собі. Окрім центромерного ділянки, теломери на кінцях, загнуті у вигляді булавки, і реплікатори – ділянки початку реплікації ДНК. Подібні міні – хромосоми можуть включати одразу декілька корисних генів, що забезпечує виробництво потрібної біотехнологічної продукції.