Biotehnoloģija apvieno bioloģiju un inženierzinātnes. Biotehnoloģija cieši saistīta ar tradicionālās mikrobioloģijas nozarēm, bioprocesu inženieriju jeb bioinženieriju, molekulāro ģenētiku, gēnu inženieriju, bioinformātiku un pēdējos gados arī ar sistēmbioloģiju un sintētisko bioloģiju.

Biotehnoloģiju iedala industriālajā biotehnoloģijā, agrobiotehnoloģijā, medicīniskajā biotehnoloģijā un marīnajā biotehnoloģijā. Industriālā biotehnoloģija jeb “baltā” biotehnoloģija nodarbojas ar rūpnieciski nozīmīgu produktu biosintēzi, kā arī ar rūpniecisko atkritumu reciklēšanu un rūpnieciski piesārņotu teritoriju bioloģisku attīrīšanu jeb bioremediāciju (piemēram, naftas piesārņojuma noārdīšanu ar mikroorganismu palīdzību). Agrobiotehnoloģija jeb “zaļā” biotehnoloģija nodarbojas ar transgēno jeb ģenētiski modificēto kultūraugu (perspektīvā arī ar transgēno mājdzīvnieku) veidošanu, lai padarītu lauksaimniecisko lielražošanu efektīvāku un videi draudzīgāku. Ģenētiski modificēta kultūrauga piemērs ir kukurūza, kas izstrādā un akumulē baktērijas Bacillus turingiensis (Bt) toksīnu, kurš aizsargā transgēno augu pret kaitēkļiem, un līdz ar to tas nav jāapstrādā ar pesticīdiem. Medicīniskā biotehnoloģija jeb “sarkanā” biotehnoloģija izstrādā jaunas zāļu vielas, t.sk. antibiotikas, vakcīnas un uz molekulārās bioloģijas un cilvēka genoma pētījumiem balstītas slimību diagnozes un terapijas metodes. Marīnā biotehnoloģija jeb “zilā” biotehnoloģija attiecas uz akvakultūrām un citiem biotehnoloģiju pielietojumiem okeāna resursu apsaimniekošanā.

Biotehnoloģiju pielieto: 1) dažādu rūpnieciski svarīgu produktu (t.sk. ķīmiskās rūpniecības izejvielu, jaunu biodegradējamu polimēru materiālu, biodegvielu) ieguvē, izmantojot videi draudzīgas metodes; 2) lauksaimnieciskajā ražošanā kultūraugu un mājdzīvnieku īpašību uzlabošanā; 3) pārtikas rūpniecībā; 4) biomedicīnā un farmācijas rūpniecībā; 5) vides attīrīšanā no piesārņojuma un ražošanas vai municipālo atkritumu pārstrādē. Biotehnoloģijas praktisko uzdevumu risināšana stimulējusi gēnu inženierijas; mikroorganismu fizioloģijas un kultivēšanas teorijas; bioprocesu kontroles metožu attīstību. Piemēram, metaboliskās kontroles analīze tiek pielietota, lai prognozētu optimālu producentu organismu metabolismu, kas paaugstina vēlamā produkta iznākumu.

Teorētisko bāzi biotehnoloģijai nodrošina mikrobioloģija, molekulārā bioloģija un bioķīmija. Biotehnoloģijai attīstoties, par patstāvīgu mikrobioloģijas apakšnozari izveidojās mikroorganismu fizioloģijas un kultivēšanas teorija, kas pēta mikroorganismu kultūru augšanas likumsakarības un produktu sintēzi ietekmējošos faktorus. Bioprocesu kontroles vajadzībām attīstījusies makroskopiskās bilances teorija, kas kultivēšanas procesu apraksta kā “melno kasti”, pielietojot vielas un enerģijas nezūdamības principus. Tas ļauj kvantitatīvi saistīt substrātu patēriņu un biomasas augšanu ar produktu veidošanos.

Biotehnoloģija integrē dažādu bioloģijas nozaru un inženierdisciplīnu (skat. augstāk) metodes. Biotehnoloģijas specifiskās metodes ietver organismu kontrolētu kultivēšanu, mērķproduktu sintēzi un to attīrīšanu. Mikroorganismu vai augstāko organismu šūnu kultivēšanā kultūras augšanas un produkta sintēzes process notiek speciālās iekārtās – fermentatoros (F), kur iespējams automātiski regulēt vides faktorus. F darba tilpumi mēdz būt no laboratorijās izmantojamiem 1–2 litriem līdz >100 m³ lieltonnāžas bioprocesiem. Visbiežāk regulējamie faktori ir vides pH, aerācija un temperatūra. Vides faktori, kas optimāli kultivēšanai mazos tilpumos, ne vienmēr izrādās piemēroti kultivēšanai rūpnieciska apjoma F. Atkarībā no F tilpuma mainās iespēja nodrošināt vienmērīgu aerāciju visā kultūras tilpumā, efektīvi aizvadīt vai pievadīt siltumu un citas. Problēmas, kuras jārisina, pārejot no laboratorijas uz rūpniecisko kultivēšanas mērogu, sauc par mērogošanas problēmām.

Kultūra ar piebarošanu (fed batch) ir kultivēšana ar regulārām svaigas barotnes piedevām kultūras augšanas gaitā. Šādas piedevas paildzina augšanas fāzi, novēršot substrāta limitāciju – situāciju, kad šūnām trūkst augšanai nepieciešamo ogļhidrātu un citu barotnes komponentu. Piebarošana reizē ar vides parametru regulāciju nodrošina iespējami augstu biomasas koncentrāciju sasniegšanu  kultivēšanas procesa beigās. Tas īpaši svarīgi, ja plānotais procesa galaprodukts ir pati šūnu biomasa vai savienojums, kurš akumulējas šūnās, neizdaloties apkārtējā vidē. Nepārtrauktā jeb plūsmas kultivēšana (continuous culture) nozīmē nepārtrauktu svaigas barotnes pievadīšanu un kultūras aizvadīšanu no F ar vienādiem ātrumiem. Šis kultivēšanas veids tiek plaši lietots mikroorganismu fizioloģijā, ļaujot pētīt kultūras īpašības atkarībā no šūnu dalīšanās ātruma, limitējošā barotnes komponenta un citiem faktoriem, taču industriālos bioprocesos tas tiek pielietots retāk nekā periodiskā kultivēšana.

Kad kultūrā akumulējies vajadzīgais produkts, to izdala no augšanas vides un attīra. Prasības pret produkta tīrību ir dažādas – no nelielām (piemēram, aminoskābju koncentrātiem, ko izmanto kā piedevu lopbarībai) līdz ļoti augstām (medicīnā vai zinātniskajos pētījumos izmantojamiem savienojumiem). Biotehnoloģiju daļa, kuru angliskajā literatūrā dēvē par “downstream processing”, pielieto šūnu dezintegrāciju (noārdīšanu), centrifugēšanu un ķīmijas tehnoloģijas preparatīvās metodes – ekstrakciju ar dažādiem šķīdinātājiem, žāvēšanu, ultrafiltrāciju, destilēšanu, kristalizāciju, dialīzi, un dažādus hromatogrāfijas paveidus.

Tradicionālajiem biotehnoloģiju procesiem ir vairāku tūkstošu gadu ilga vēsture, taču izpratne par to bioloģiskajiem pamatiem radās tikai 19. gs. otrajā pusē, pateicoties franču ķīmiķa un mikrobiologa Luija Pastēra (Louis Pasteur) darbiem. Pārskats par biotehnoloģiju vēsturi sniegts 1. tabulā.

Terminu “biotehnoloģija” ieviesa ungāru inženieris un lauksaimnieks Karols Ereki (Karoly Ereky) grāmatā “Gaļas, tauku un piena ražošanas biotehnoloģija lauksaimnieciskajos lieluzņēmumos” (Biotechnologie der Fleisch-, Fett- und Milcherzeugung im landwirtschaftlichen Grossbetriebe, 1919), kur ar šo terminu apzīmēja dažādu izejvielu pārveidošanu lietderīgos produktos ar bioloģiskām metodēm. 1917. gadā britu ķīmiķis un mikrobiologs (vēlāk – pirmais Izraēlas prezidents un Veicmana pētnieciskā institūta dibinātājs) Haims Veicmans (Chaim Azriel Weizmann) pirmoreiz pielietoja tīrkultūru industriālā bioprocesā – kultivēja baktēriju Clostridium acetobutylicum acetona ieguvei, kas bija nepieciešams sprāgstvielu izgatavošanai britu armijas vajadzībām Pirmajā pasaules karā. Skotu mikrobiologs Aleksandrs Flemings (Sir Alexander Fleming) 1928. gadā atklāja penicilīnu. Kopš 1940. gada penicilīns tiek lietots medicīnā, paverot ceļu antibiotiku industrijai. 20. gs. vidū, pateicoties ungāru fiziķa Leo Silārda (Leo Szilard), franču mikrobiologa Žaka Mono (Jacques Lucien Monod) un dāņu bioķīmiķa Oles Molē (Ole Maaløe) darbiem, attīstījās mikroorganismu kultivēšanas teorija un metodes. Gēnu inženierijas ēra aizsākās 1971.–1972. gadā ar amerikāņu zinātnieku Pola Berga (Paul Berg), Herberta Bojera (Herbert Wayne Boyer) un Stenlija Koena (Stanley Cohen) eksperimentiem sveša ģenētiskā materiāla pārnesē, pavairošanā un uzturēšanā (klonēšanā) baktērijās. Amerikāņu zinātniece Marija Čiltone (Mary Dell Chilton) un beļģu pētnieks Marks van Montagī (Marc van Montagu) atklāja horizontālo gēnu pārneses mehānismu starp baktērijām Agrobacterium un augiem, radot pamatus augu gēnu inženierijai, kas sevi pieteica ar transgēno tabaku (1983).

Mūsdienās biotehnoloģiju skar process, ko dēvē par “genomisko revolūciju”. Attīstoties molekulārās bioloģijas metodēm, sarūk genomu sekvencēšanai nepieciešamais laiks un darbs, un līdz ar to krasi pieaug organismu skaits, kuriem pieejama pilna genoma sekvence. Pētījumi par biotehnoloģiski nozīmīgu mikroorganismu vai transgēno augu un dzīvnieku metabolisma regulāciju tiek pārnesti genoma mērogā, vienlaikus kontrolējot visu (vai lielas daļas) gēnu ekspresiju un tās izmaiņas ārēju faktoru iedarbībā. Pilnas genoma sekvences pieejamība paver iespējas organisma mērķtiecīgai ģenētiskai modificēšanai, balstoties uz zināšanām par metaboliskajiem ceļiem, kuri ved pie vēlamā produkta sintēzes. Kopš 20. gs. 90. gadu sākuma attīstījies jauns biotehnoloģiju virziens – metaboliskā inženierija, kas veic biotehnoloģisko producētāju organismu uzlabošanu, mērķtiecīgi izmainot šūnu metaboliskos ceļus un atbilstošo gēnu regulāciju ar gēnu inženierijas metodēm. Gēnu inženierija tiek pielietota kopā ar metabolisko ceļu matemātisko modelēšanu un datorsimulāciju, kas ļauj precīzi izvēlēties optimālo ģenētiskās modificēšanas stratēģiju. Liela daļa biotehnoloģiskajā rūpniecībā pielietojamo mikroorganismu celmu mūsdienās tiek iegūti ar metaboliskās inženierijas metodēm. Izņēmums ir pārtikas rūpniecība, kur dominē dabiski mikroorganismu celmi vai to asociācijas, kas (it īpaši vīnu un sieru ražošanā) specifiskas noteiktai produkta šķirnei.

Mūsdienu industriālajā biotehnoloģijā izmantojamam mikroorganismu celmam jābūt pieejamam tīrkultūrā un ģenētiski stabilam, nepatogēniskam, ātri augošam, spējīgam sintezēt vajadzīgo produktu ātri un ar augstu iznākumu, kā arī izturīgam pret iespējamiem inhibējošiem piemaisījumiem barotnē.

Par mikroorganismu augšanas substrātiem lieltonnāžas ražošanas procesos izmanto lētas izejvielas (piemēram, cukura rūpniecības blakusproduktu melasi, iesala ekstraktu, kukurūzas ekstraktu, cietes hidrolizātu, piena sūkalas), kas rodas kā lauksaimniecības un pārtikas rūpniecības blakusprodukti un satur dažādus ogļhidrātus, slāpekļa savienojumus, vitamīnus un mikroelementus. Mūsdienās ar metaboliskās inženierijas metodēm tiek strādāts pie tādu mikroorganismu celmu ieguves, kas spētu efektīvi izmantot plaši sastopamus, lētus, bet grūtāk asimilējamus atjaunojamos substrātus. Pirmkārt, tā ir lignoceluloze, kas satur dažādus ogļhidrātus, daļu no tiem mikroorganismiem grūti izmantojamā formā. Potenciāli neizsmeļams lignocelulozes avots ir laukkopība, mežsaimniecība un kokapstrāde. Jauni, efektīvi biotohnoloģiju procesi uz lignocelulozes bāzes nākotnē varētu ļaut pilnībā aizstāt fosilo degvielu ar biodegvielu.

Agrobiotehnoloģijā tiek radīti transgēnie augi ar paaugstinātu izturību pret kaitēkļiem, herbicīdiem un nelabvēlīgiem vides apstākļiem, kā arī ar paaugstinātu spēju sintezēt derīgus savienojumus. Kaut arī agrobiotehnoloģijas mērķis ir radīt efektīvāku un videi draudzīgāku lauksaimniecību, tomēr ģenētiski modificēto kultūraugu ieviešana sabiedrībā tiek vērtēta neviennozīmīgi.

Harvarda Universitāte (Harvard University) Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV) – studijas un pētījumi visās biotehnoloģijas nozarēs; Masačusetsas Tehnoloģiskais institūts (Massachusetts Institute of Technology) ASV – studijas un pētījumi metaboliskajā inženierijā, biomedicīnā, atjaunojamajā enerģijā u.c.; Kembridžas Universitāte (University of Cambridge) Lielbritānija – studijas un pētījumi visās biotehnoloģijas nozarēs; Stenforda Universitāte (University of Stanford) ASV – studijas un pētījumi medicīniskajā biotehnoloģijā, vides biotehnoloģijā, bioinženierijā u.c.; Pastēra institūts (Institut Pasteur) Francijā – specializējies medicīniskajā biotehnoloģijā; Bioekonomijas Zinātņu centrs, kas apvieno Julihas pētījumu centru, Āhenas, Bonnas un Diseldorfas universitātes (BioSC – Bioeconomy Science Center: Juelich Research Center and Universities of Aachen, Bonn and Duesseldorf), Vācijā – specializējies industriālajā biotehnoloģijā, agrobiotehnoloģijā, biomedicīnā.

L. Pastērs – bakterioloģijas un modernās biotehnoloģijas pamatlicējs; pierādījis, ka rūgšana ir mikrobioloģisks process; ieviesis vakcināciju. Vācu mikrobiologs Roberts Kohs (Robert Heinrich Hermann Koch) – medicīniskās bakterioloģijas pamatlicējs; ieviesis baktēriju tīrkultūru audzēšanu uz cietajām barotnēm. Amerikāņu biologs Normans Borlaugs (Norman Ernest Borlaug) – “zaļās revolūcijas” tēvs agrobiotehnoloģijā; izveidojis augstražīgas un slimību izturīgas kviešu šķirnes, kuras būtiski palīdzējušas risināt bada problēmu trešās pasaules valstīs. Ž. Mono – viens no molekulārās bioloģijas pamatlicējiem; atklājis gēnu transkripcijas regulācijas principus; radījis allosterisko enzīmu kinētikas modeli; izstrādājis mikroorganismu kultūras augšanas teoriju. Amerikāņu zinātnieki Džeimss Beilijs (James Edward Bailey) un Gregorijs Stefanopuloss (Gregory Stephanopoulos) – metaboliskās inženierijas pamatlicēji.

Nozīmīgākie periodiskie izdevumi: Nature Biotechnology (kopš 1996. gada, Nature Publishing Group), Trends in Biotechnology (kopš 1983. gada, Elsevier), Metabolic Engineering (kopš 1999. gada, Elsevier), Plant Biotechnology Journal (kopš 2003. gada, Wiley-Blackwell), Biotechnology for Biofuels (kopš 2008. gada, BioMedCentral), Applied and Environmental Microbiology (kopš 1953. gada, American Society for Microbiology),  Microbial Biotechnology (kopš 2008. gada, Wiley Online Library), Biotechnology and Bioengineering (kopš 1959. gada, Wiley Online Library), BMC Genomics (kopš 2000. gada, BioMedCentral), Applied Microbiology and Biotechnology (kopš 1975. gada, Springer), Microbial Cell Factories (kopš 2002. gada, BioMedCentral).