在細胞水準上改造細胞遺傳結構，從而增高具有新性狀的生物個體或細胞群體。細胞工程主要包括體細胞融合、核移植、細胞器攝取和染色體片段的重組等，是現代生物工程的重要組成部分。廣義的細胞工程包括利用體外培養細胞技術，生產有價值的生物品，或快速繁殖珍貴的植株。對細胞的遺傳操作可以在細胞結構的不同層次上進行。將體外重組的基因導入細胞，實際上是與基因工程交叉的領域。細胞工程已經滲透到人類生活的許多領域，取得許多具有開發性的研究成果，有的在生產中推廣，收到瞭明顯的經濟和社社會效益。隨細胞工程技術研究的不斷深入，它的前景和產生的影響將會日益地顯示出來。按操作對象的結構層次，細胞工程可分為6個方面：細胞培養技術、染色體工程、染色體組工程、細胞質工程、細胞融合工程和幹細胞工程。
細胞培養技術 細胞培養是細胞工程的基本技術，也是生物工程的基礎之一。細胞培養技術利用合成或提取的營養成分，在人工條件下進行生物體外的細胞培養。大規模的細胞培養可分為3個層次：單個細胞培養、組織培養和器官培養。細胞培養的對象可以是已經建立的細胞株，或采自於生物體的原代細胞。原代細胞直接來自生物體，其生理和遺傳特性與生物體內細胞相同。除單細胞生物來源的細胞外，來自多細胞生物的原代細胞在體外培養條件下隻能有限地存活與增殖；而細胞株則在體外可以無限地存活與增殖。細胞培養的方式主要有貼壁培養與懸浮培養兩種。其中貼壁培養需要為細胞提供可以附著的表面，細胞附壁後方能存活與增殖；懸浮培養適合於不具有附壁能力的細胞，培養過程中需保持細胞的懸浮狀態。培養植物細胞和原生質體培養技術可以用於育種，也可用於各類植物的快速繁殖，在培養無毒苗、長期儲存種子和生產次生代謝產物等方面發揮作用。
由於細胞是生命的基本結構與功能單位，細胞又含有生物體的全套遺傳信息，所以在現代生命科學研究工作中，細胞是非常重要的研究模型。動物細胞培養技術可用於制取許多有應用價值的細胞產品，如疫苗和生長因子等。利用細胞培養系統可進行毒品和藥物檢測；一些培養細胞可用於治療。同時，人和動物的正常細胞和突變細胞（例如癌細胞）是研究人類疾病和相關基因功能的主要模型，也成為藥物篩選的重要模型。單個的植物細胞在液體培養條件下，可以發生類似受精卵發育成胚的過程，從單細胞→細胞團→球形胚→心形胚→胚狀體，然後再生出完整的小植株。因此，可以通過細胞培養的途徑來開發新的植株和品系，研究植物器官發生和形態建成的調控因素及其發育機制。
染色體工程 是對細胞的基因群體進行設計和工程改造的一項綜合性技術。真核細胞（主要包括動物細胞與植物細胞）有明確的細胞核，染色質位於細胞核內，由核膜將其與細胞質隔開，染色質中包含瞭真核生物的整套遺傳信息，稱為基因組。細胞進行有絲分裂時染色質高度螺旋化形成染色體，如人類有23對、46條染色體。染色體工程是將一種真核生物的特定染色體按照人們的意圖予以消除、添加或同別的生物的染色體置換等改造的技術。
基因組序列在細胞內的載體是染色體，染色體可以切成片段。如果將這些染色體片段與同物種或異物種細胞的染色體進行重新組合，構成新的染色體就稱為人工染色體。如果將這種人工染色體轉移到不同物種的細胞內，培養成的生物體就稱為轉染色體生物。轉染色體技術用完全人工合成的染色體，整合到受體細胞的基因組內，達到改造生物的整體生理功能的目的。人有30 000～40 000個基因，控制著人的所有生命活動，特定的基因控制特定生命活動的某一環節。如果將人的染色體或染色體片段轉移到其他生物細胞內，形成的人源化生物就能表達人的某些生理活動和表型。該生物應該能產生具有人體特征的生物分子、細胞、組織和器官，從人源化生物的身上就可獲得人可接受移植（不被排斥）的血細胞、肌肉細胞、神經細胞，甚至心臟、肝臟等器官，也能獲得用於藥物生產的人的抗體、血清白蛋白和胰島素等。這樣，通過轉染色體工程，人類就為自己建立瞭細胞、組織、器官的“生產工廠”。
動物細胞的染色體工程又稱為染色體轉導、轉染色體工程或染色體介導的基因的轉移。有3類方法：①微細胞轉移術。應用低濃度秋水仙素長時間處理可使細胞去核化，經去核處理後，可得到隻含相當於幾個乃至一個染色體的微細胞。微細胞被導入完整細胞以後仍顯示RNA合成，因而微核編碼的基因信息可望在微細胞異核體內表達出來。②先誘發細胞同步分裂。繼用秋水仙素阻抑細胞分裂於中期，再破碎細胞，通過離心收集大量的中期染色體，轉移到受體細胞內，並探查到有特異的供體基因的功能產物。有證據證明通過染色體介導的基因轉移，不僅在宿主細胞的分裂過程中能穩定地傳給子代，而且還能進行連續轉移，如人染色體基因可以轉移到小鼠細胞內。③激光顯微切割術。需要收集大量的中期染色體後加上標記，然後在顯微鏡下選擇需要的染色體進行切割，獲取需要的片段轉移到受體細胞內。這些實驗是在染色體水平上進行基因轉移的良好開端。
植物染色體工程按設計有計劃削減、添加和代換同種或異種植物染色體，也稱為植物染色體操作。植物染色體工程一詞，雖然在20世紀70年代初才提出，但早在20世紀30年代就已開始研究。它不僅在改良植物的遺傳基礎培育新品種上受到重視，而且也是基因定位和染色體轉移等基礎研究的有效手段。植物染色體工程的基本程序是人工雜交、細胞學鑒定和在雜種或雜種後代中篩選所需要的材料。染色體的消除的單體植物，起初是利用自然發生的單倍體普通小麥制作。現在則用人工誘導花粉或未受精的子房產生的單倍體植株為材料進行，這些植株為單價染色體，因此稱這種類型的植物叫單體植物。植物異種染色體的添加，所添加的染色體來自別種植物。染色體的替代用同種或異種染色體來替代某特定染色體的技術，其目的是要把已知的具有抗病或其他有利特性的某一染色體來替代另一個具有其他性狀的染色體，以改良作物品種。應用染色體工程的方法，在許多添加和替代染色體工作中，已經獲得瞭不少有遺傳學和育種學價值的品系。例如，獲得瞭添加單個冰草染色體的小麥品系中間，有的能抗粉露菌病、稈銹病和葉銹病。這種抗性均呈現顯性皆因於遺傳，在生產實踐上都有實用價值，表明染色體工程在培育抗病新品種上有重要意義。
染色體組工程 是指誘導增加或減少一個生物體內整套染色體組數的技術。增加同種染色體組數的叫同源多倍體；增加異種染色體組數的叫異源多倍體，異源多倍體必須經過雜交才能得到。染色體組工程的應用誘導多倍體在植物育種上的應用是有限度的。由於作物類型不同，對多倍性誘變反應也不同。原來的顯性水平、染色體組的結構、繁殖方式、多年生性、植株實用部位，所有這些都關系到育種的成敗。自1937年發現瞭用秋水仙素誘發多倍體的方法以來，一般常用藥劑（秋水仙素等），也可用高溫處理來誘發多倍體。後來，由於原生質體分離技術的發展，也可從原生質體的融合得到多倍體。例如用聚乙二醇作誘導融合劑處理胡蘿卜原生質體後，得到瞭頻率相當高的四倍體和六倍體植株。這是來源於2個或3個原生質體融合的結果。
單倍體的誘發方面，自20世紀60年代以來，子房、花藥或花粉離體培養成功，很容易從卵細胞等得到單倍體植株。其方法是將一定時期的花藥或子房移植到特定的培養基上培養。待生長愈傷組織或胚狀體後，再移到分化培養基上，分化出苗和根，長成完整的小植株即可移到盛有土壤的盆中繼續栽培到開花。單倍體植物一般不能結實或僅結少量種子。此外，還可用遠緣雜交，X射線或紫外線照射，化學藥品如馬來酸姘、甲苯胺藍、氯黴素等以及異源胞質等方法都能誘導單倍體產生。
細胞質工程 研究真核細胞的核、質相互關系以及細胞器、胞質基因的轉移等細胞拆合，所以又叫細胞拆合工程。主要研究內容是細胞質的置換。過去在植物上置換的方法是進行連續回交。例如，為研究柳葉菜屬的細胞質遺傳，曾連續回交瞭25代，結果還不能把全部母核替代出來。現在由於核移植和原生質體的分離方法的改進，推進瞭這項工程的進展。細胞質工程的方法去核和核移植動物細胞核的移植一般都用顯微操作器進行。20世紀50年代初期，美國生物學傢R.佈裡格斯和T.J.金首先成功地把豹蛙囊胚期細胞的細胞核移植到去核的蛙卵，並能正常發育。後來，英國J.B.格登把爪贈峨蚣腸上皮細胞核移植到去核卵內，能發育到有生殖能力的成體。中國童第周等還成功地進行金魚類異種、異屬之間的核移植實驗。
細胞與胞質體在融合因子的介導下重新融合，構成“重組細胞”，這一技術即稱為細胞重組，胞質體與另一完整細胞融合，即產生“胞質雜種”細胞。這兩種細胞產生的效果是不同的，已有方法可以把它們鑒別開。
細胞融合工程 細胞融合是指用自然或人工的方法，使兩個或幾個不同的細胞融合成一個細胞的過程。細胞融合的結果，一個細胞中含有兩個不同的細胞核，則稱為異核體；隨後的有絲分裂中，來自不同細胞核的染色體可能合並到一個結合核內。因此，又稱為體細胞雜交。細胞融合的范圍很廣，從種內、種間、屬間、科間一直到動、植物兩界之間都進行瞭嘗試。在植物方面，由於各類細胞具有全能性，在煙草、矮牽牛、胡蘿卜等種間雜種，馬鈴薯和番茄、曼陀羅和顛茄、煙草和矮牽牛等屬間雜種都已獲得瞭再生植株。在動物方面，人和鼠體細胞雜交，雖然不能長成一個新個體，但能作基因定位的材料。因此，這項新技術，在理論研究和工、農、醫方面的應用，均有廣闊的前景。
例如，現在有人把擬南芥菜和油菜體細胞融合在一起，育成一種帶有兩個親本遺傳特性的新植物，叫擬南芥油菜，這種雜種具有親本之一的大部分遺傳物質和另一親本的少數染色體，它們的形態上較正常，這一結果表明在遠緣體細胞雜交方面，有可能把某些帶有優良性狀的染色體或基因轉移過來，為作物改良開辟瞭一條新的途徑。
幹細胞工程 實質上屬於細胞質工程，由於其近年來的飛速發展已經形成瞭一門獨立的工程技術。對於幹細胞的定義眾說紛紜，比較普遍被接受的一種是認為幹細胞是那些具有無限的或延長瞭的自我更新維持的能力，並且可以產生不止一種類型的高度分化的子代細胞（多方向分化潛能）的前體細胞。幹細胞一般認為可以分為兩類：胚胎幹細胞和成體幹細胞。由胚胎期胚囊組織中內細胞群分離得到的幹細胞稱為胚胎幹細胞；而由個體不同組織中分離得到的幹細胞稱為成體幹細胞，因此成體幹細胞又包括造血幹細胞、神經幹細胞、脂肪幹細胞等。在一定的誘導條件下胚胎幹細胞可以分化成不同組織的細胞，但不能形成個體。成體幹細胞一般可以定向分化成成熟細胞，例如造血幹細胞可以定向分化成成熟的紅細胞、顆粒性白細胞、單核細胞和巨核細胞。有研究證明成體幹細胞經過誘導還可以分化成來源組織以外的各種細胞，例如造血幹細胞還可以分化成為肌肉細胞、神經細胞、軟骨細胞等。
幹細胞工程從人的胚胎期胚囊組織中分離得到內細胞群細胞，擴增後即為人胚胎幹細胞，在體外可誘導它們分化成胰島細胞、神經元、心肌細胞等，將這些細胞移植至發病部位，則能夠修復病人的組織或器官，從而使病人免受病魔的煎熬。或者更簡單一些，從病人身體中分離出一些成體幹細胞，甚至不需要核移植這麼復雜的操作，經過體外誘導分化成移植所需的身體的任何組織移植至發病部位。同時，幹細胞直接移植至發病部位也可在體內分化成成熟組織，達到修復的目的。由於移植細胞與病人的基因完全相同，不會產生通常器官移植中的免疫排斥反應。因此幹細胞工程有著巨大的醫學應用前景。
同時，人胚胎幹細胞提供瞭在細胞和分子水平上研究人體發育過程中的極早期事件的良好材料和方法，這種研究不會引起與胚胎實驗相關的倫理問題。采用基因芯片等技術，比較胚胎幹細胞以及不同發育階段的幹細胞和分化細胞的基因轉錄和表達，可以確定胚胎發育及細胞分化的分子機制，發現新的人類基因。結合基因打靶技術，可發現不同基因在生命活動中的功能等。
幹細胞另一個重要的應用在於新藥的發現及篩選。胚胎幹細胞提供瞭新藥的藥理、藥效、毒理及藥代等研究的細胞水平的研究手段，大大減少瞭藥物實驗所需動物的數量。胚胎幹細胞還可用來研究人類疾病的發生機制和發展過程，以便找到有效和持久的治療方法。
發展趨勢 細胞工程已經滲透到人類生活的許多領域，取得瞭許多具有開發性的研究成果，有的在生產中推廣，收到瞭明顯的經濟和社會效益。隨細胞工程技術研究的不斷深入，它的前景和產生的影響將會日益地顯示出來。