Die PCR vervielfältigt einen bestimmten DNA-Abschnitt im Reaktionsgefäß. Nötig sind die Ausgangs-DNA, zwei Primer (kurze DNA-Stücke, die den Abschnitt an beiden Enden eingrenzen), freie Nukleotide und eine hitzestabile Taq-Polymerase aus einem Hitzebakterium. Ein Zyklus hat drei Schritte: Denaturierung bei etwa 95 °C (die Stränge trennen sich), Primer-Anlagerung bei etwa 50 bis 65 °C und Elongation bei etwa 72 °C (die Polymerase verlängert die Primer). Idealisiert verdoppelt jeder Zyklus die Zahl der Kopien, nach $n$ Zyklen sind es $2^n$ Kopien je Ausgangsmolekül. Anwendungen sind der Nachweis von Erregern, der genetische Fingerabdruck und das Klonieren von Genen.

Die Gelelektrophorese trennt DNA-Fragmente nach ihrer Länge. DNA ist wegen ihrer Phosphatgruppen negativ geladen und wandert im elektrischen Feld durch ein Agarosegel zum Pluspol. Kurze Fragmente kommen im Gel schneller voran als lange und wandern weiter. Man füllt die Proben in Geltaschen, legt Spannung an und färbt die DNA mit einem Farbstoff, der unter UV-Licht leuchtet. Jede Fragmentlänge bildet eine Bande. Ein Größenstandard mit Fragmenten bekannter Länge erlaubt, Längen abzulesen. Man prüft damit PCR-Produkte und vergleicht beim genetischen Fingerabdruck Muster von Wiederholungssequenzen, deren Zahl sich zwischen Menschen unterscheidet.

Bei der Sanger-Sequenzierung (Kettenabbruch) läuft eine Replikation mit Primer, Polymerase und normalen Nukleotiden. Zusätzlich enthält der Ansatz Didesoxynukleotide, jedes der vier Basen mit einem eigenen Fluoreszenzfarbstoff. Ihnen fehlt am 3'-Ende die OH-Gruppe: Wird eines eingebaut, bricht die Kette ab. So entstehen Fragmente aller Längen, jedes endet mit einem farbigen Nukleotid. Man trennt sie nach Länge und liest die Farben vom kürzesten zum längsten Fragment, das ist die Basenfolge des neuen Strangs. Beim Next-Generation-Sequencing werden Millionen kurzer Fragmente gleichzeitig gelesen und per Computer zusammengesetzt. So ließ sich das Genom des Menschen mit etwa 3 Milliarden Basenpaaren schnell und günstig lesen.

Restriktionsenzyme stammen aus Bakterien, die damit Viren abwehren. Sie schneiden DNA an kurzen, meist palindromischen Erkennungssequenzen, die auf beiden Strängen von 5' nach 3' gleich lauten. EcoRI erkennt GAATTC (Gegenstrang 3'-CTTAAG-5') und schneidet zwischen G und A. Es entstehen überstehende Enden, die sich mit komplementären Enden anderer, mit demselben Enzym geschnittener DNA paaren. Die Ligase verknüpft das Zucker-Phosphat-Rückgrat dauerhaft.

Ein Plasmid ist ein kleiner ringförmiger DNA-Zusatz von Bakterien mit Replikationsursprung und einem Resistenzgen (etwa gegen Ampicillin) als Marker. Als Vektor dient es, um fremde DNA in eine Zelle zu bringen (weitere Vektoren sind Viren und das Ti-Plasmid von Agrobacterium für Pflanzen). Bei der Transformation nehmen Bakterien das Plasmid auf, zum Beispiel nach einem Hitzeschock. Auf Nährboden mit Antibiotikum wachsen nur Bakterien mit Plasmid. Beim Humaninsulin schneidet man Insulin-Gen und Plasmid mit demselben Enzym, verbindet sie mit Ligase, transformiert Bakterien, selektiert und vermehrt sie im Fermenter (einem Bioreaktor).

Ein gentechnisch veränderter Organismus (GVO) hat Erbgut, das mit gentechnischen Verfahren verändert wurde. Transgen ist ein GVO mit einem Gen aus einer anderen Art. Beispiele sind Bakterien mit dem Gen für Humaninsulin, Bt-Mais mit einem Gen des Bodenbakteriums Bacillus thuringiensis für ein Protein, das Raupen des Maiszünslers tötet, herbizidresistente Sojabohnen, Goldener Reis mit Genen für die Bildung von Provitamin A und Knockout-Mäuse, in denen ein Gen ausgeschaltet ist. Pflanzen transformiert man mit Agrobacterium oder einer Genkanone.

CRISPR/Cas9 stammt aus einem bakteriellen Abwehrsystem gegen Viren. Das Enzym Cas9 (eine Nuklease, die DNA schneidet) wird durch eine Leit-RNA von etwa 20 Nukleotiden zur komplementären Zielsequenz gelenkt (daneben muss eine kurze Erkennungssequenz, die PAM, liegen). Cas9 setzt dort einen Doppelstrangbruch, den die Zelle repariert. Beim einfachen Zusammenfügen der Enden gehen oder kommen oft Basen hinzu, das Gen fällt meist aus (Knockout). Bietet man eine Vorlage-DNA an, baut die Zelle sie beim Reparieren ein: Das Gen wird korrigiert oder ergänzt. Charpentier und Doudna erhielten dafür 2020 den Nobelpreis für Chemie. Cas9 schneidet gelegentlich auch an ähnlichen, falschen Stellen (Off-Target-Effekte).

Gentherapeutische Verfahren bringen in Körperzellen eines Patienten ein gesundes Gen oder korrigieren das defekte. Ex vivo entnimmt man Zellen (etwa Blutstammzellen), verändert sie im Labor und gibt sie zurück. In vivo bringt man den Vektor direkt in den Körper, zum Beispiel ins Auge. Vektoren sind veränderte Viren ohne Krankheitswirkung. Retro- und Lentiviren bauen ihr Erbgut dauerhaft ins Genom ein, mit dem Risiko, ein Gen zu zerstören oder ein Onkogen zu aktivieren: In einer frühen Studie zu einem Immundefekt erkrankten Kinder an Leukämie. AAV-Viren bleiben meist außerhalb des Genoms, sind dadurch sicherer, werden aber bei Zellteilungen verdünnt. Strategien sind Gen ergänzen, Gen korrigieren (CRISPR) und Gen mit RNA-Interferenz ausschalten.

Ethische Fragen: Wo liegt die Grenze zwischen Therapie und Verbesserung des Menschen? Dürfen Eingriffe in die Keimbahn Nachkommen betreffen, die nicht zustimmen können? Wer erhält teure Therapien? Rechtlich regelt in Deutschland das Gentechnikgesetz den Umgang mit GVO und ihre Freisetzung, das Embryonenschutzgesetz verbietet Eingriffe in die Keimbahn des Menschen. In der EU brauchen GVO eine Zulassung und Lebensmittel mit GVO eine Kennzeichnung. Die Regeln für genom-editierte Pflanzen ändern sich gerade, prüfe den aktuellen Stand. Bei einer Bewertung trennst du Sachfragen (Was ist belegt?) von Wertfragen (Was wollen wir?) und wägst Argumente ab.