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。