生物工程一级学科设有5个学科方向：细胞培养与代谢工程、生物催化与转化工程、合成生物技术与系统生物工程、生物制药与材料工程、生物资源与环境工程。

1.细胞培养与代谢工程   旨在利用动植物细胞与微生物的机能，或用重组DNA技术有目的地改造代谢途径，通过培养和发酵技术为人类生产有用的产品。本学科方向是生物工程的核心与支柱。

本学科方向包括细胞选育与遗传改造、细胞培养、代谢途径的重构、代谢流分析、培养过程的调控与优化、新型生物反应器的设计、生产工艺的放大、目标产品的分离提纯等，提升传统发酵工程技术。

细胞培养与代谢工程广泛应用于化学工业、医药、食品、能源、环境保护和农牧业等众多领域，为人类提供生物化学品、药品、食品、能源化学品等，解决医药、环境资源、能源和农业发展等实际问题。

2.生物催化与转化工程    以生物催化和转化为核心技术，利用酶或细胞作为催化剂制造各种生物产品及化学产品，或者实现传统产品的生物绿色制造，满足人类的基本物质需求，减少化学产品制造的环境负荷。

本学科方向研究涉及生物分子的模拟分析与描述，基于基因工程和分子进化的生物分子设计和改造，工艺过程设计与优化等现代生物工程技术方法。

本学科方向主要包括生物催化剂（酶）工程、生物催化与转化过程工程、生物催化应用技术。主要研究内容为从头设计生物催化反应路线，并设计或筛选全新的酶（或细胞）催化剂；水相或非水相系统中的反应介质影响，生物催化反应选择性的定向调控，氧化还原反应中的辅酶再生，以及生物催化反应与产物分离的耦合等；天然产物的生物转化，手性化合物的不对称合成和拆分，以及环境有害污染物的生物利用；生物反应器与设计，生物催化和转化工艺及其优化放大等。

3.合成生物技术与系统生物工程  是在功能基因组学、计算生物学和系统生物学等基础上，将工程化理念应用在生物学中，通过生物系统的理性工程化设计，定向创造新型生物产品和实现生物过程的整体优化的工程学科。本研究方向是生物工程的重要发展方向和支撑体系之一。

合成生物技术与系统生物工程是将生物学原理与工程化理念相结合，依托功能基因组学，利用宿主系统、分子生物学技术和计算生物学模拟，系统挖掘和标准化生物工程相关元件，在整体上定向设计、优化新型生物产品和现有生物体系的科学与技术。

本学科方向包括比较功能基因组、代谢组学、蛋白组学、代谢网络模拟与重构、生物元件挖掘与鉴定、宿主生物构建、途径与系统设计、高效组装与过程整体优化、生物催化和生物分离过程的耦合和集成、生物工艺过程的系统放大和综合优化等。

合成生物技术与系统生物工程是生物工程新生长点，将广泛应用于医药、生物能源、环境保护等领域，解决健康、能源、粮食、环境等实际问题，提高生物产业核心竞争力。

4.生物制药与材料工程  瞄准生物药物和生物材料的重大需求，利用基因工程、细胞工程、发酵工程、酶与蛋白质工程、生物载体构建技术等生物工程技术，实现生物药物及生物材料规模化制备及生产，并通过设计、改造等方法制备具有优良性质和功能的新型生物药物与生物材料。通过纳米生物技术实现生物药物分子或生物材料的纳米级分子制备。

本学科方向包括：（1）生物药物的设计、制备、分离、活性评价等上下游研究，包括生物药物的分子设计，生物药物高效表达策略，药物分离纯化的新方法和新工艺，表达产物的规模化制备，表达产物的生物活性评价，药物规范化质量标准研究等；（2）生物工程技术在生物材料的开发与应用方面研究，涉及人体组织体外构建，可降解生物材料，可注射生物材料，药物传输体系，智能生物材料等；（3）纳米生物药物、纳米生物材料的研究与应用，包括纳米生物药物的制备与缓释，纳米固定化酶的研制与应用，纳米生物材料、纳米生物器件的研究与应用，新型纳米生物载体的研制与开发等。

5.生物资源与环境工程  瞄准生物资源的高效与可持续利用和生态环境安全的重大需求，以高效利用天然生物资源和采用现代生物技术解决资源加工与环境工程问题为核心，通过天然或设计改造的生物体或生物分子处理重要环境污染物，修复生态环境，开发可再生能源，实现生物资源的高效与循环利用。

本学科方向涉及天然生物资源的挖掘与生物体的设计改造，工艺过程流程分析、环境生物分析与监测等生物工程技术方法。主要包括：资源与环境生物的设计与改造，如污染物的高效降解基因工程菌的构建，抗污染转基因植物的创造等；环境生物分析、监测与生物处理技术；污染环境生物修复；废弃物的生物转化与高效、循环利用；生物能源的开发，以及这几个层次的技术在许多环境问题中同时交叉应用。