主要依托微藻系统生物学与合成生物学等学科，研究真核微藻将光能和二氧化碳高效转化为生物柴油与高值脂肪酸的调控网络，开发微藻基因组编辑手段，设计和构建工业微藻细胞工厂。同时，从工业生物技术和合成生物技术应用的角度，牵引与推动单细胞分析仪器系列的研制。

主要研究微生物整合生物加工体系（Consolidated Bioprocessing; CBP）的系统生物学与合成生物学。首先，以微拟球藻（Nannochloropsis spp.）为“光能CBP”的模式研究体系，研究微藻将光能和二氧化碳高效转化为生物柴油的遗传基础、进化机制以及基因调控网络，设计和构建高效固碳和产油的基因工程藻种。其次，以中高温厌氧梭菌（Clostridium spp.）为“纤维素CBP”的模式研究体系，揭示其高效降解纤维素、戊糖己糖共利用等分子机制，从而设计和构建高效转化木质纤维素的人工细胞。第三、发展和示范单细胞分析技术，开拓从微生物细胞个体和群体层面理解、诊断和调控生物能源转化、土壤代谢、海洋碳汇、口腔感染等生态系统功能的新思路和新方法，从而建立和发展“单细胞过程工程”的理论基础和能动技术。