تم اكتشاف الحمض النووي في عام 1951 من قبل فرانسيس كريك ، وجيمس واتسون ، وموريس ويلكنز. باستخدام بيانات البلورات بالأشعة السينية التي تم إنشاؤها بواسطة روزاليند فرانكلين ، قرر واتسون وكريك أن بنية الحمض النووي كانت هي الحلزون المزدوج. لهذا العمل ، حصل واتسون وكريك وويلكنز على جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب في عام 1962. على مر السنين ، عمل العلماء مع الحمض النووي في محاولة لمعرفة "رمز الحياة". ووجدوا أن الحمض النووي بمثابة رمز التعليمات لتسلسل البروتين. ووجدوا أيضًا أن كل كائن حي له تسلسل فريد من الحمض النووي ويمكن استخدامه لأغراض الفحص والتشخيص وتحديد الهوية. الشيء الوحيد الذي ثبت أنه محدود في هذه الدراسات هو كمية الحمض النووي المتاحة من مصدر واحد.

بعد تحديد طبيعة الحمض النووي ، تمكن العلماء من فحص تكوين الجينات الخلوية. الجين هو سلسلة محددة من أزواج قاعدة الحمض النووي التي توفر الكود لبناء بروتين. تحدد هذه البروتينات سمات الكائن الحي ، مثل لون العين أو فصيلة الدم. عندما تم عزل جين معين ، أصبح من المرغوب فيه توليف نسخ من هذا الجزيء. كانت الهندسة الوراثية واحدة من أولى الطرق التي تم بها توليف كمية كبيرة من DNA معين.

تبدأ الهندسة الوراثية عن طريق الجمع بين الجين محل الاهتمام والبلازميد الجرثومي. البلازميد هو امتداد صغير للحمض النووي موجود في العديد من البكتيريا. يسمى الحمض النووي الهجين الناتج الحمض النووي المؤتلف. ثم يتم حقن البلازميد DNA المؤتلف الجديد في الخلايا البكتيرية. ثم يتم استنساخ الخلايا من خلال السماح لها بالنمو والتكاثر في الثقافة. كما تتكاثر الخلايا ، وكذلك نسخ الجين المدخل. عندما تتضاعف البكتيريا بشكل كافٍ ، يمكن بعد ذلك عزل النسخ المتعددة من الجين المدخل. يمكن أن ينتج عن طريقة تخليق الحمض النووي مليارات النسخ من الجين في غضون أسبوعين.

في عام 1983 ، تم تقليل الوقت اللازم لإنتاج نسخ من DNA بشكل كبير عندما طور Kary Mullis عملية لتجميع DNA يسمى تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR). هذه الطريقة أسرع بكثير من الطرق المعروفة السابقة التي تنتج مليارات النسخ من حبلا DNA في غضون بضع ساعات فقط. يبدأ بوضع جزء صغير من DNA مزدوج السبل في محلول يحتوي على بوليميراز DNA ، نيوكليوتيدات وبادئات. يتم تسخين المحلول لفصل خيوط DNA. عندما يتم تبريده ، يقوم البوليميراز بإنشاء نسخة من كل حبلا. يتم تكرار العملية كل خمس دقائق حتى يتم إنتاج الكمية المطلوبة من الحمض النووي. في عام 1993 ، حصل تطوير موليز للـ PCR على جائزة نوبل في الكيمياء. اليوم ، أحدث PCR ثورة في مجالات التشخيص الطبي والطب الشرعي وعلم الأحياء الدقيقة. ويقال أنها واحدة من أهم التطورات في البحث الجيني.

المفتاح لفهم توليف الحمض النووي هو فهم هيكلها. DNA هو بوليمر طويل السلسلة يتكون من وحدات كيميائية تسمى النيوكليوتيدات. يُعرف DNA أيضًا باسم المادة الوراثية ، وهو الجزيء الذي يحمل معلومات تملي تخليق البروتين في معظم الكائنات الحية. عادة ، يوجد DNA كسلسلتين من النيوكليوتيدات المرتبطة كيميائياً. تتبع هذه الروابط أنماطًا محددة تمليها قواعد الإقران الأساسية. يتكون كل نوكليوتيد من جزيء سكر deoxyribose ، ومجموعة فوسفات ، وواحد من أربع قواعد تحتوي على النيتروجين. تتضمن القواعد الثيمين البيريميدين (T) والسيتوزين (C) والبيورينات الأدينين (A) والجوانين (G). في الحمض النووي ، يرتبط الأدينين بشكل عام بالثيمين والجوانين مع السيتوزين. يتم ترتيب الجزيء في هيكل يسمى حلزون مزدوج يمكن تخيله عن طريق تصوير سلم ملتوي أو سلم حلزوني. تشكل القواعد درجات السلم بينما تشكل أجزاء السكر والفوسفات جوانب السلم. الترتيب الذي ترتبط به النيوكليوتيدات ، يسمى التسلسل ، يتم تحديده من خلال عملية تعرف باسم تسلسل الحمض النووي.

في الخلية حقيقية النواة ، يحدث تخليق DNA قبل انقسام الخلية من خلال عملية تسمى التكاثر. عندما يبدأ النسخ المتماثل ، يتم فصل شريطي DNA بواسطة مجموعة متنوعة من الإنزيمات. وبالتالي ، يتم فتح كل خيط كقالب لإنتاج خيوط جديدة. يتم تحفيز هذه العملية برمتها بواسطة إنزيم يسمى DNA polymerase. يجمع هذا الجزيء النيوكليوتيدات المقابلة ، أو التكميلية ، بما يتماشى مع كل من خيوط الحمض النووي. يتم بعد ذلك ربط النيوكليوتيدات كيميائيًا لتكوين خيوط دنا جديدة والتي هي نسخ مطابقة للشريط الأصلي. تحتوي هذه النسخ ، التي تسمى فروع الابنة ، على نصف جزيء DNA الأصلي ونصف جزيء جديد بالكامل. يُعرف النسخ المتماثل بهذه الطريقة بالنسخ المتماثل شبه المحافظ.