本实验室依托生物工程（083600）、生物化工（081703）、生物医学工程（083100）、微生物学（071005）、数学（070104）等学科。实验室研究方向包括多维度生物信息学技术与精准系统设计，合成生物学与系统生物工程，生物靶标与分子工程，生物制药与智能给药，器官智造与细胞治疗，每个方向研究内容如下：

细胞工厂元件智能设计

在细胞工厂构建中，元件设计-构建-测试-再循环是开发细胞工厂的基本研究思路, 其中元件设计环节是细胞工厂设计中最重要的一环, 然而传统的细胞工厂设计方法主要依靠经验、费时费力、且准确率较低, 严重影响了细胞工厂的开发效率以及细胞工厂的性能。因此，需要对细胞工厂的调控元件进行设计和优化，以精确控制酶活性且提供途径与底盘宿主的适配性。当前, 海量的生物学大数据以及人工智能技术的迅速发展推动了细胞工厂智能设计的快速发展, 提升了在生物合成途径设计、功能元件智能设计、调控元件智能设计和全局优化设计等方面的设计效率与应用。借助生物信息学领域的大数据挖掘技术、人工智能技术、知识工程与知识图谱技术、生物大分子建模以及多尺度的生物大分子模拟计算技术、网络优化计算方法等，细胞工厂智能设计的飞速发展将对生物制造领域产生变革性的影响。

细胞工厂重编程与智能适配

利用细胞作为智能催化剂制造各种生物基产品，或实现传统产品的绿色生物制造，重点开展合成生物学与系统生物工程指导的生物催化剂设计与构建、底盘细胞工厂的适配智能优化、过程强化与分离技术。针对国家“碳达峰，碳中和”目标要求，聚焦能源微生物底盘设计与改造、生物基化学品合成设计与重构、工业微生物的系统生物学优化、二氧化碳资源化生物利用、绿色农用兽用产品细胞工厂等研究。

高效细胞工厂集成制备技术

通过高性能细胞工厂集成制备理论，建立面向应用驱动的小分子高效生物合成和生物大分子集成生物制造，开发面向生物能源、生物化工和生物医药应用的小分子和生物大分子的系列细胞工厂，研发抗体、核酸药物、生物基医用原料、工程改造细胞药制剂等高端生物基产品。

在生物医药领域，开发抗体、核酸类疫苗及佐剂，基于合成生物制备的生物基药物分子序列设计，构建智能响应、程序给药的新一代智药物递送系统；聚焦重大疾病的治疗和爆发性传染病的预防，通过细胞工厂构建实现抗体药、核酸药、疫苗的设计制备，结合具有生物响应的纳米给药系统，实现生物大分子的靶向给药和胞内递送，利用人体自身免疫系统和翻译机制，在细胞层面起到治疗和预防的作用，结合药物设计同时推进生物制药的产业化；基于合成生物技术制备生物基医用材料，获得分子序列精准可控、功能因子融合表达、靶向性分子修饰的新型生物基医用材料，从上游原料端实现基于细胞工厂设计的医用原料高效生产；聚焦免疫细胞、干细胞治疗领域的国际最新技术开发与应用，通过基因编辑技术，设计开发组织损伤、器官移植、恶性肿瘤治疗的低免疫原性重编程干细胞和免疫细胞，构建高效基因编辑技术及标准化细胞体外制备工艺和技术体系；突破细胞药标准化生产的技术体系难题，实现批量化、低成本干细胞产品化和组织器官批量化生物制造，开发用于微组织模块和仿生类组织构建的生物制造技术，为人体组织器官的体外构建和功能转化提供新的解决方案。