تخليق اصطناعي للجينات وعلى النقيض، فإن التضاعف الطبيعي أو النسخ المتماثل للحامض النووي يتطلب وجود قوالب للحامض النووي من أجل توليف حمض نووي جديد.
وقد تم توضيح تخليق أو توليف أول جين كامل وهو "tRNA" للخميرة بواسطة هارغوبند خورانا ومساعديه في عام 1972.
وقد تم أداء توليف لأول جينات تشفيرية للبيبتيدات والبروتينات في مختبرات هيربرت بوير وألكساندرماركهام على التوالي. تتوافر حالياً خدمات توليف الجينات التجارية من شركات عديدة في جميع أنحاء العالم، حيث بنى البعض منها نموذج أعماله التجارية حول هذه المهمة. غالباً ما يقوم النهج الحالي للتوليف الجيني على أساس الجمع بين الكيمياء العضوية والتقنيات البيولوجية الجزيئية ويمكن تخليق الجينات الكاملة دون الحاجة إلى قالب الحمض النووي المقدم. ولقد أصبح التوليف الجيني أداة هامة في العديد من المجالات لتقنية الحمض النووي المؤتلف بما في ذلك التعبير الجيني المغاير وتطوير اللقاحات والعلاج الجيني والهندسة الجزيئية. ويعتبر توليف تتابعات الحمض النووي في الكثير من الأحيان أكثر اقتصاداً من إجراءات الاستنساخ وتوليد الطفرات الكلاسيكية. حيث ينمو سوق التوليف الجيني بثبات على مدى السنوات الماضية ويُقدّر الخبراء حجمه بحوالي (40 مليون دولار أمريكي) بنهاية عام 2007.
بالرغم من أن القدرة على تصنيع الامتدادات الطويلة من الحمض النووي أكثر كفاءة وأقل سعراً إلا أنها تعتبر القائد التقني في هذا المجال، كلما زاد الاهتمام المركز على تحسين تصميم الجينات لأغراض محددة. وفي بداية عهد تسلسل الجينوم, تم استخدام التوليف الجيني كمصدر (غالي أو مكلف) للحمض النووي منقوص الأكسجين "DNA" والتي قد تم التنبؤ بها أو توقعها بواسطة المعلومات الكلية أو الجزئية للحمض النووي المتمم ولكن كان من الصعب استنساخه. وكلما أصبح من المتاح تحقيق استنساخ للحمض النووي من مصادر جودة أعلى فإن بالتالي تصبح هذه الممارسة أقل إلحاحاً.
إنتاج كميات كبيرة من البروتين من التتابعات الجينية (أو على الأقل مناطق ترميز البروتين على الجينات، إطار القراءة المفتوح) الموجودة في الطبيعة يمكن في بعض الأحيان تكون عملية صعبة وتمثل مشكلة بما يكفي لكي تكرس لها المؤتمرات العلمية. العديد من البروتينات الأكثر إثارة للاهتمام والتي تم السعي إليها من قبل علماء البيولوجيا الجزيئية تخضع عادة للتنظيم حيث يتم التعبير عنها بكميات منخفضة جدا في خلايا الأنواع البرية. ويعتبر إعادة تصميم تلك الجينات يساعد في عرض وسائل لتحسين التعبير الجيني في الكثير من الحالات. إعادة كتابة إطار القراءة المفتوح يعتبر ممكنا بسبب تدهور الشفرة الجينية. وهكذا يصبح من الممكن تغيير ما يصل إلى ثلث النيوكليوتيدات في إطار القراءة المفتوح ويبقى منتجا للبروتين نفسه. والعدد المتاح من التصاميم البديلة لبروتين معين قد يكون عدد فلكي. فمثلا لتتابع أو تسلسل بروتيني نموذجي مكون من (300) حمض أميني, فإن هناك ما يزيد عن (10150) إتحادات أو تركيبات كودونية والتي سوف ترمز إلى بروتين متطابق. استخدام الأساليب المثلى للتحسين الجيني مثل إحلال الكودونات المستخدمة نادرا بكودونات أخرى أكثر شيوعا في بعض الأحيان يكون له تأثيرات مأساوية. وهناك تحسينات إضافية مثل إزالة التركيبات الثانوية لل"RNA" يمكن أيضا أن يتم اشتمالها. على الأقل في حالة بكتريا القولون "إيشيرشياكولاي"، تم تكبير التعبير البروتيني عن طريق الاستخدام السائد للكودونات المناظرة للحمض النووي "tRNA" وهذا من شأنه أن يحافظ ويبقى استمرار الشحن بالأحماض الأمينية أثناء المجاعه.
ويتم كتابة برامج الحاسوب لأداء هذه, ويتم استخدام تحسينات متزامنه أخرى من أجل معالجة والتعامل مع التعقيد الشديد لهذه المهمة. ويمكن للجينات المحسنة جيدا أن تحسن من التعبير البروتيني من (2 إلى 10) أضعاف وفي بعض الحالات يتم تسجيل تحسينات تبلغ أكثر من (100) ضعف. نظرا للأعداد الكبيرة من التغيرات النيوكليوتيدية الطارئة على تتابع الحمض النووي الأصلي, فإن السبيل العملي الوحيد لخلق جينات مصممة حديثا هو استخدام التوليف الجيني.