基因组编辑和分子改造是微生物技术研究的基础。本方向以挖掘微生物中同源重组、非同源末端连接、及CRISPR等与基因编辑和分子改造相关的遗传元件和系统为手段，通过研究其作用机理及开发新型基因编辑技术，解析微生物的遗传规律，拓展基因组编辑和分子改造的在各种微生物宿主的适用范围，实现其在生物技术和医学领域的应用。
微生物生物合成和生物催化是实现高效绿色制造的关键。本方向是以可再生生物质资源为原料，以人工智能、组学分析、微生物酶学与酶工程、代谢工程、合成生物技术等为手段，探索和构筑微生物生物合成的理论体系，设计和构建新型微生物催化剂和高效生物合成系统，产生新理论、新技术、新方法、新工艺与新产品，推动医药、化工、食品及化妆品等领域的发展和变革。
微生物在自然物质循环中起着重要作用。本方向以陆地、海洋、肠道等环境中的微生物为研究对象，通过收集、分离、和挖掘微生物及其合成的酶、次级代谢产物等资源，研究系统分类与进化规律，深入解析微生物在自然界的生态功能及与宿主相互作用，达到利用微生物技术进行环境治理、资源利用和健康生活的目的。
