合成生物学的本质是让细胞为人类工作生产想要的物质。该技术突破自然进化的限制，以“人工设计与编写基因组”为核心，可针对特定需求从工程学角度设计构建元器件或模块。通过这些元器件对现有自然生物体系进行改造和优化，或者设计合成全新可控运行的人工生物体系。它把“自下而上”的“建造”理念与系统生物学“自上而下”的“分析”理念相结合，利用自然界中已有物质的多样性，构建具有可预测和可控制特性的遗传、代谢或信号网络的合成成分。合成生物学的研究内容主要包括生物元件、基因线路、代谢工程以及基因组工程。 合成生物学难度有高低，可分为三个阶段：一是利用现有的天然生物模块构建新的调控网络并表现出新功能；二是采用从头合成方法人工合成基因组 DNA；三是人工创建全新的生物系统乃至生命体。合成生物学生产化学品的核心技术包括基因测序和编辑、菌种培育筛选、产品纯化分离。目前，合成生物学正处于产业化的关键阶段，产品种类迅速增加，新产品验证和对传统化学法的替代并行。 合成生物学与计算机科学相似度很高。合成生物学的目标是扩展或改变生物的行为，并对其进行改造服务产品生产。合成生物学过程的目标和方法可以用计算机的层次结构类比。在层次结构中，每个组成部分都包含在更复杂的系统中。在设计新行为时会先考虑到层次结构的顶部，但是实现的过程是自下而上的。层次结构的底部是 DNA，RNA，蛋白质和代谢产物（包括脂质和碳水化合物，氨基酸和核苷酸），类似于计算机中的晶体管、电容器和电阻器等。上一层是设备层，包括生化反应，该反应调节信息流并操纵物理过程，类似于在计算机中执行计算的逻辑门。在模块层，利用各种各样的生物设备库来组装起类似于集成电路一样功能的复杂路径。这些模块彼此之间的连接以及它们在宿主细胞中的整合，使合成生物学家能够以编程方式扩展或修改细胞的行为。