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据麦肯锡预测，未来10-20年，在全球范围内医药健康领域每年直接产生的潜在经济影响约0.5-1.3万亿美元，约占合成生物学总影响的35%。合成生物学在医疗健康领域的应用包括细胞免疫疗法、RNA药物、微生态疗法、基因编辑相关应用、体外检测、医疗耗材、药物成分生产和制药用酶等诸多方向。如利用mRNA技术快速人工合成疫苗，利用基因编辑技术治疗遗传疾病，设计细胞行为和表型精确调控免疫细胞治疗肿瘤，开发快速灵敏的诊断试剂，改造微生物和合成人工噬菌体治疗疾病，改造微生物生产医疗耗材和药物成分等。
mRNA药物/疫苗合成。目前主要有寡合苷酸药物和mRNA药物，其中寡合苷酸药物又可细分为RNA干扰（RNAi）、RNA激活（RNAa）和核酸适配体（Aptamer）等类型。mRNA疫苗是通过将mRNA序列引入细胞来发挥作用，通过了解病毒的基因组，研究人员便可以直接设计得到疫苗。此外，还可以利用合成生物技术来重编程基因以产生减毒病毒，活体的减毒脊髓灰质炎病毒疫苗的成功构建便是其中的典型案例。美国Ionis和Alnylam是寡合苷酸方向比较有代表性的公司。德国BioNtech和美国Moderna则是mRNA疗法比较有代表性的公司。国内的艾博科技专注mRNA药物研发，ARCoV在印度尼西亚获批紧急使用授权，成为中国第一个自主研发并在海外获得上市批准的mRNA疫苗。上海羽冠生物正在积极开发针对耐药细菌的合成生物学疫苗，有望在两年内能将细菌疫苗推进到临床。
基因治疗。指将目的基因导入到靶细胞当中，用以纠正或补偿由于基因缺陷或基因异常所引起的疾病。所涉及的多种关键组件，包括了含有目的基因的重组核酸、递送载体、基因编辑工具以及靶细胞，其中最为关键的，无疑便是递送载体。近些年来，虽然非病毒载体的关注度得到大幅提升，相关研究和应用也在不断推进中，但是其中多数仍是处于研发的阶段。目前，病毒载体仍旧是基因治疗最主要、最常用的递送技术，尤以腺相关病毒（AAV）的应用最为广泛。
不过，到目前为止，病毒载体所产生的毒性原因仍然未知，常见病毒载体在基因容量、靶向性等方面也十分受限，研究主要集中在衣壳设计、重组核酸片段设计，以及新病毒载体元件的挖掘和工程化。Poseida Therapeutics使用基因编辑技术来开发多发性骨髓瘤和前列腺癌等疾病的治疗方法。近年来基因疗法获批的频率明显加快，有5款基因疗法获得美国或欧盟监管机构的批准上市（Upstaza、Zynteglo、Roctavian、Skysona和Hemgenix），分别用于治疗芳香族L－氨基酸脱羧酶缺乏症（AADCD）和β地中海贫血等疾病。国内的合生基因用于治疗晚期实体瘤的SynOV1.1腺病毒注射液在2020年底获得美国FDA临床试验许可，2021年10月获得国家药品监督管理局（NMPA）临床试验默示许可，这也是国内首个“合成基因线路精准调控”的基因治疗产品获得国家药监局批准开展临床试验。
化工能源
化工领域中合成生物学发展迅速，生物路线逐步实现对传统化学路线的替代。据麦肯锡预测，未来10-20年，合成生物学预计将每年对化工能源等领域的1600-2700亿美元市场产生直接经济影响，约占合成生物学总影响的8%。合成生物学在化工领域的应用主要包含材料和化学品、化工用酶、生物燃料等方向。
例如，利用改造后的酵母或其他微生物生产化学品、材料和油类，通过定向进化结合高通量筛选寻找在高温高酸等特殊场景拥有高活性的酶等。基于合成生物学的化学品制造、生物能源产品开发，将有助于打破经济发展的资源环境瓶颈制约、构建新型可持续发展的绿色工业化道路。
食品饮料
合成生物学的发展能够帮助发掘动、植物的营养以及功能成分合成的关键遗传基因元件，有可能对跨种属的基因进行组合，采用人工元件对合成通路进行改造，优化和协调合成途径中各蛋白的表达，构建新的细胞工厂，颠覆现有的食品生产与加工方式。在食品领域的应用包含肉类和乳制品、饮品、食品安全、调味剂和添加剂等多个方向。
人造肉和人造奶。合成生物学具有不断增长的潜力，利用微生物，如酵母、细菌或酶发酵产生特定的食物分子，并生产动物性食品，如肉类、乳制品。美国植物肉品牌Impossible Foods，其主营产品人造肉便是基于DNA合成、DNA组装、遗传元件库建设以及基因线路设计来改造优化巴斯德毕赤酵母菌种，将其生产的大豆血红蛋白添加到人造肉饼中改善汉堡风味。如Perfect Day人工改造酵母菌底盘，构建人造奶细胞工厂。CellX开发无血清培养基和采取蛋白重组的方式来实现低成本生产细胞肉。
低热量的食品添加剂。通过微生物来生产香料、甜味蛋白和甜味剂，用细胞工厂生产甜菊糖苷、阿洛酮糖等天然甜味剂及柠檬烯、香兰素等香料产品。如瑞士的Evolva公司与嘉吉公司合作开发的发酵来源甜菊糖昔，还与国际香精香料公司（IFF）合作开发生产香兰素。芝诺科技与一兮生物专注于以合成生物技术生产母乳低聚糖，其作为婴儿配方奶粉的添加剂已添加在进口奶粉中。
饮品饮料或功能性食品。随着越来越多的功能性食品代谢途径被阐明，合成生物学已广泛应用于类胡萝卜素（如番茄红素、β-胡萝卜素和虾青素）、甲萘醌-7（维生素K2）、叶黄素和母乳低聚糖（HMO）等功能性食品的生物合成。德默特研发及生产的产品包括功能脂质（如类胡萝卜素、长链多不饱和脂肪酸）和蛋白质等，主要应用于食品、膳食补充剂和动物营养领域。
尽管合成生物学和基因工具的发展为微生物食品的转化和增强提供了应对策略，但微生物的代谢网络是相对复杂的，构建细胞工厂仍面临着各种挑战。未来，做到高质量、低成本的合成食品原料和关键功能性营养因子，是实现合成生物学在未来食品产业中大规模应用的关键。总体来说，重组食品的研究和生产已取得初步成果。
农业技术
合成生物学有望推动农业持续增产，可能成为未来农业发展的方向。合成生物学的发展能够帮助提高农业生产力、改良作物、降低生产成本以及实现可持续发展，同时能够改造植物光合作用增加农业产量、利用微生物或代谢工程手段减少农业化肥使用以及重塑代谢通路改良作物等，带来农产品产能与营养价值的突破性增长。合成生物学在农业领域的应用主要涉及作物增产、虫害防治、动物饲料及作物改良等方向。
作物驯化和育种。研究人员利用CRISPR/Cas工具，成功在植物中实现在兆碱基范围内以受控方式（如倒位和易位）的可遗传染色体重排，应用到作物育种和改良。Apeel Sciences公司开发的植物基涂层可以延长番茄和苹果等易腐食品的保质期。Agrivida公司开发的首款产品酵素植酸酶Grain可以提高饲料的消化率，减少动物体内的营养抑制剂。GreenLightBiosciences公司开发高性能的RNA农作物，使其精确靶向免疫于特定害虫且不会伤害有益昆虫或在土壤、水中残留。
光合作用与固氮作用。作为微生物肥料的固氮微生物，是合成生物学目前在农业中较为关注的应用场景。Pivot Bio公司开发了第一种基于γ-变形杆菌（KV137）的玉米生物肥料—该细菌作用于玉米根部，让微生物可以从空气中转化氮元素满足作物日常氮需求。拜耳作物科学与Ginkgo Bioworks联手成立子公司Joyn Bio，专注于工程固氮微生物，能够让种植者减少30-40%的肥料投入。国内的绿氮生物也在发力可持续生物氮肥。此外，合成生物学在环境修复中的应用潜力较大。合成微生物群落通过重塑土壤微生物群落结构，为利用微生物修复土壤、提高微生物存活率提供了解决方案，这是未来的一个应用方向。农药生物制造。目前一些新兴的合成生物学公司，利用细菌、酵母等生物体进行原料的加工和合成，致力于开发天然农药。这种绿色生产技术可以改变农药等农用化学品的生产方式，还可以减少工业过程中对于能源和资源的消耗，并减少空气、水和土壤的污染和生产成本。如Oxitec公司研发基因改造昆虫控制疾病或作物害虫的传播。AgriMetis公司开发天然产物衍生的化合物来保护作物免受杂草、真菌病和害虫的侵害。实现生物制造农药的绿色生产，还有着很大的发展空间。
信息技术
未来，生物技术将颠覆传统计算机的微观架构，全面突破信息技术。DNA存储核心优势是存储密度高，已成为学术界关注的前沿。美国半导体合成生物学路线图中提到，DNA存储的存储密度潜力是硬盘、磁带等传统介质的1千万倍。DNA存储密度可（提高）达3到6个数量级，能耗降低8个数量级，保存时间至少可以延长100倍。保守估计，DNA存储信息的有效期是1000年，实际上可达几十万年。