当前，在生物工程学研究的最前沿阵地上，科学家们已经吹响了向21世纪进军的冲锋号。遗传学、免疫学、细胞工程学等各个领域内的研究都正在紧张而活跃地进行着。为了探明生命现象的真谛，为了解决与人类生活息息相关的一系列重大问题，科学家们付出了巨大的努力和辛勤的劳动。现在，许多研究已取得重要进展和突破，即将走出实验室，进入人类社会的现实生活中。
（1）解决二十一世纪人类的食物
随着人口的增长，解决21世纪人类的食物已成为重大问题。生物工程应用于农业的研究已取得可喜的进展。例如，供植物中特定部分在短期内增殖的技术已日臻成熟，目前应用这种技术得到的高丽参、紫草、烟草等，近30种植物可用部分的含量已高于亲本植物。
导入最少限度的遗传基因可使植物的特定性质发生变化，但是实现这种操作还必须跨越很多障碍。双子叶植物是利用根瘤土壤杆菌作为遗传基因的“转运站”，目前对这类植物染色体组合的技术已得到开发。但是，根瘤土壤不能感染单子叶植物，所以也就没有这样的“转运站”可供利用。尽管困难重重，但此项技术的研究却捷报频传。例如，通过导入产生杀虫蛋白的遗传基因而获得抗虫性的烟草，在欧洲已培植成功。利用这种技术而获得抗除草剂基因的土豆和抗病毒基因的西红柿也可望成为现实。
在水产和畜牧业方面，应用受精卵分离技术和遗传基因导入技术，把原质型的DNA（脱氧核糖核酸）注入受精卵再移植到代理母腹之中，可得到理想的后代。若对代理母畜的品种加以改良，还可以实现一卵多胎，或使乳量增多等等。
雌雄控制技术也是重要的研究课题。例如，从产奶角度考虑，宜繁殖较多的母牛，而从肉食角度考虑，则以公牛价值为高；鱼类则以体型较大的雌鱼经济价值最高。如能人为地控制雌雄，就可使经济效益显著提高。现在，根据X精子比Y精子比重大的道理，已能够利用离心法将X精子和Y精子分离开来，并且这种技术已开始进入实用阶段，人工根据需要选择雌雄已经成为可能。
水产业中利用紫外线照射破坏精子的染色体，或通过雄性荷尔蒙产生假雄性，再与雌性交配得到雌性的技术已经确定。甚至可利用融合技术“生产出”染色体为XXY的鱼，这种鱼的体型比正常的鱼大3倍。这种在生殖过程中加以人为控制而提高产量的技术，是畜牧和水产方面生物工程学开发的重点。
（2）诊治更多的遗传病
遗传病是因遗传基因存在缺陷，由父母传给后代的疾病。现在已知的遗传病几乎有上千种。为了扩展治疗遗传病的途径，利用遗传基因修补技术的临床实验已经开始了。
遗传病或者是生下来就显现异常病变，或者是正常生活到一定年龄再突然发病。前者的代表如血友病，是因为血液凝固基因缺损而使血液不能正常凝固。又如地中海贫血病，是由于缺乏制造球蛋白的遗传基因而发生的机能失调，造成溶血性贫血。后者的代表如家族性淀粉样变性，是在20岁左右发病，出现末梢神经异常，发病之后虽然意识正常但肌肉慢慢不能活动，直到死亡。这是由于类淀粉物蛋白质在末梢神经大量结合的缘故，但迄今为止还不清楚是怎样结合的。
胎儿成长在母腹羊水的包围中，细胞是浮在羊水中的，因此采取羊水就可以了解细胞的情况。这种子宫内诊断术的发展使遗传病的预测得到很大进步。如果能及时准确地判断胎儿潜伏的遗传病变，就可能给以恰当的处理。
对染色体进行物理分离的技术能使人和老鼠的细胞融合，再把人体染色体的一个或数个向融合细胞转移，并使之增殖。这一技术使科学家们对人的遗传基因的测定有了很大进步，使遗传病的诊断得到重大的进展。
对于先天性代谢异常，如果等到症状明显再治疗则为时已晚，因此在胎儿期进行早期诊断，及时给以恰当处理是最理想的。对潜伏一定时期后才发作的遗传病，则必须把引起疾病的遗传基因的控制机制搞清楚。如果能弄清异常遗传基因，并以正常遗传基因与之交换当然是最好不过的，但这样的治疗必须在卵子受精时进行，仅对特定遗传基因进行代换，再送回子宫内去。这种操作不但在技术上困难，在伦理上也有问题，因此目前尚难以实现。
然而完全可以期待，分子生物学的进展将会详细解答有关遗传基因的种种复杂问题。这项研究必将为更广泛地治疗遗传病作出重大的贡献。
（3）精巧的仿生
生物工程学的研究还包括利用人造物模仿和实现生物所具有的各种杰出机能，从而使生物工程学渗入仿生学的领域。
再现并提高生物机能的研究进展很快，从分子水平看，正在研究模仿酶的催化机能和血红蛋白的输氧机能；从组织脏器水平看，具备排废机能的人工肾脏及具备泵机能的人工心脏等的研究十分活跃。
目前，为抢救患者而使用的人工脏器还只能在低水平上进行模仿，由于模仿复杂的生化反应是极其困难的，因此，人工脏器只能代替一部分自然脏器的功能。后来，科学家们设想把脏器细胞直接应用于人工脏器，从而开始了混合型人工脏器的研究。为此，首先要开发能够适应肝脏实质细胞，以及胰脏活胰岛素的适用材料。以前这类材料只有天然的胶原，但是最近在培养适合肝细胞的材料时，发现乳糖可以有效地控制到链状聚苯乙烯上，现正在进一步研究能使肝细胞在一定数量内增殖的材料。
生命的基本现象体现于分子水平的反应之中，为了更好地认识和模仿生命现象，科学家们制造了许多模型。例如，用环糊精、环状缩氨酸、皇冠乙醚等环状化合物制出的生物酶模型，就是有很高的催化机能和基质特异性。仿生学期望利用酶模型把蛋白质模型系统化。但是，现在还不能把生命现象模仿到细胞水平。
生物组织非常精巧，却很脆弱；人造物结实且稳定性好，但机能较差。仿生学力求兼备二者的优势。现在，已研制出能与患者身体组织融合，逐渐成为患者自身皮肤的人造皮肤。今后的人造皮肤还将具有汗腺和汗毛，在功能和外观上都与原生的皮肤没有区别。现在的人造肝脏只能在有疾患的肝脏恢复健全期间，部分地代替其原机能，预计不久将研制出能完全模仿肝脏机能的体外肝脏。制造在器官和组织功能方面均与真正肝脏完全相同的人工肝脏，将是21世纪的研究课题。
探索蛋白质结构生物的遗传形态决定于遗传基因密码的排列，而这种排列又决定了氨基酸的配制，从而产生各种各样的蛋白质。蛋白质构成了生物细胞的一半以上，起着维持生命的重要作用。如果能够人为地改变蛋白质的构成和配列，将会对生物的改良产生重大的影响。然而，蛋白质是氨基酸呈链状连接的巨大分子，虽然只有大约20种氨基酸，但各种可能的排列组合方式却达到了天文数字。况且，蛋白质的机能并非只取决于氨基酸的简单排列，它还与折叠形式等密切相关。可见把握蛋白质的立体结构不但非常重要，而且难度极大。
分子生物学的进展，已通过将DNA导入其他细胞而实现了无性生殖，向着操作蛋白质的方向迈出了重要的一步。
科学家们根据蛋白质和核酸的立体结构可以决定生物的机能这一条重要突破去研究蛋白质，相继探明了肌红蛋白和血红蛋白的结构与机能，并对其进化和病理等从组织上得到了解释。对其他的各种酶，免疫球蛋白，染色体的染色核等许多蛋白质的立体结构也已能够解释。目前，对它们的形式过程正在进行研究，这些研究的进展，日益充实着人类在蛋白质、核酸、多糖等立结构方面资料的数据库。
改良微生物机能人类早就将微生物用于食品制造业，而以青霉素的发现为契机，发酵工业已成为近代产业。随着生物工程学的发展，利用遗传基因修补术和细胞融合技术改良微生物机能成为可能，为微生物的利用提供了更广泛的领域。
微生物分为真菌、酵母和细菌三类。真菌可用于柠檬酸等有机酸以及青霉素等抗生物质的生产。酵母可用于酒精饮料的制造。
最近，利用基因修补术将大肠杆菌和枯草菌等微生物导入遗传基因，从而制造出了抑制癌的物质和生理活性物质。利用细胞融合技术把两种微生物融合而产生新的抗生物质的可能性越来越大了。
在能源方面，利用微生物将甘蔗渣及木屑等制造成工业和汽车使用的甲醇，利用甲烷菌和制氧菌从工业废液和污泥中提取甲烷和氢等气体燃料的研究也已取得进展。在资源方面，利用一种叫作“铁细菌”的微生物，可以使金属从品位低的矿石中有效地溶出，把具有提取油质功能的微生物注入油井以提高石油回收率的研究也正在进行。在环境保护方面，也可以利用微生物能分解有机物以及金属和有毒物质的特性进行污水处理。
在尚未利用的微生物中，科学家们已开始注目于好碱性微生物和共生微生物。好碱性微生物只有在碱性环境，甚至在碱性洗涤液中才能很好分解淀粉的酶。因此，有可能开发出新的工业生产方法。共生微生物，如与豆科植物共生的根瘤菌，能将氮化物合成为肥料给予植物。现在开始考虑利用可以和各种昆虫共生，给予昆虫所需的抗菌物质和荷尔蒙的微生物，目的是得到防止病虫害的新杀虫法和利用其分泌物质开发新的药品。
微生物的开发和利用已经在广阔范围内成为生物工程学的主要角色之一了。