Отдел сфокусирован на решении фундаментальных и прикладных задач, направленных на поиск и структурно-функциональное исследование профилактической, прогностической, диагностической и терапевтической значимости новых белков и пептидов. В рамках деятельности Отдела проводится создание и исследование структуры и функции искусственных биокатализаторов и природных мультикаталитических комплексов, ингибиторов биокаталитической активности и антимикробных препаратов для использования в медицине и сельском хозяйстве.

Основной целью исследований Отдела является разработка технологий получения соединений для высоко точной диагностики и эффективной терапии социально значимых заболеваний, в первую очередь, онкологических, а также разработка подходов к направленной регуляции различных звеньев иммунной системы человека, в том числе, к иммунокоррекции аллергий и использованию стресс-индуцируемых протеинов для иммунодиагностики и иммунотерапии.

Основными задачами отдела является установление фундаментальной взаимосвязи структура-динамика-функция для белков и пептидов различных семейств для выяснения молекулярных механизмов их биологической активности в организме, а также рациональной разработки прототипов лекарственных препаратов направленного действия.

Отдел ведет работу по исследованию геномов и транскриптомов, разрабатывает методы флуоресцентного имиджинга структур и сигнальных событий в живых системах на разных уровнях, от целого организма до одиночных молекул, а также занимается исследованиями, направленными на создание новых геномных и постгеномных медицинских и иных технологий и нанотехнологий, медицинских и сельскохозяйственных препаратов и диагностикумов.

Основными задачами отдела являются исследования молекулярных механизмов, лежащих в основе нейросигнализации, а также развитие и совершенствование методов исследования процессов нейросигнализации.

Основными направлениями научной деятельности Отдела являются конструирование и исследование различных рекомбинантных белков, прежде всего, представляющих интерес для медицины и биотехнологии. В частности, изучаются токсины, антитела, цитокины, нейромодуляторы и мембранные белки (рецепторы, транспортеры, ионные каналы и другие).

В фокусе интересов отдела – организация и функционирование нервной системы. Проводятся фундаментальные исследования, направленные на выяснение молекулярной природы передачи нервных сигналов в норме и при патологиях, структуры и функции нейрорецепторов и ионных каналов и их лигандов и др. Кроме того, выполняются прикладные работы, посвященные созданию новых подходов к терапии нейродегенеративных заболеваний.

Основными целями исследований отдела являются точная и своевременная диагностика фитопатогенов – составление репрезентативных коллекций патогенов, определение уникальных маркерных последовательностей ДНК, выделение и исчерпывающая характеризация бактериофагов и противомикробных пептидов, идентификация и функциональный анализ белков ядра и микроРНК, редактирование генома растений с помощью CRISPR/Cas-технологии и разработка систем экспрессии рекомбинантных белков в растениях для получения экологически безопасных биотехнических растений с улучшенными свойствами.

В рамках научной деятельности Отдела проводятся исследования по разработке методологии для изучения супрамолекулярной организации компонентов клеточной мембраны (как внутри, так и снаружи липидного бислоя), в том числе дизайн модельных мембран и применение везикулярных структур наноразмерного диапазона в качестве инструментов исследования гликолипид-белковых взаимодействий и как систем доставки лекарств.

Основные задачи Отдела: исследование структурной основы и химических механизмов действия биологически активных соединений на примере биолюминесценции живых организмов и действия антибиотиков. Отдел изучает биологически активные соединения в рамках полного цикла от молекулы до гена: от выделения низкомолекулярных компонент и  установления их структуры, синтеза биологически активных соединений и их аналогов, установления механизма их действия, до выделения, очистки, секвенирования белков и клонирования кодирующих их генов.

Основными направлениями научной деятельности Отдела является разработка и создание микро- и наноразмерных диагностических и терапевтических инструментов на основе полимерных, биологических или неорганических носителей, полупроводниковых или металлических наночастиц, полимерных или неорганических капсул; создание биоматериалов с заданной на наноструктурой; разработка модельных объектов (3D опухолевых моделей).

Коллектив сфокусирован на исследованиях адаптивного иммунитета человека и модельных животных, в первую очередь с точки зрения организации репертуаров Т- клеточных рецепторов и антител. Эти исследования высоко востребованы как в современной фундаментальной иммунологии, так так в целом ряде активно развивающихся прикладных направлений, таких как иммунотерапия онкологических и аутоиммунных заболеваний, эффективная вакцинация, продление здорового долголетия.

В отделе проводятся исследования по широкому спектру направлений, начиная от синтеза и характеризации новых антибиотиков и биологически-активных соединений с противораковой активностью, исследования белков ядрышка эукариотических клеток, участвующих в процессинге рибосомных РНК, заканчивая характеризацией молекулярных механизмов, определяющих гетерогенность и устойчивость к химиотерапии клеток глиом.

Научные исследования отдела метаболизма и редокс-биологии направлены на расшифровку роли ключевых интермедиатов окислительно-восстановительных процессов в физиологии и патологии, и на создании синтетических подходов к управлению свойствами живых систем. 

На базе Отдела биологических испытаний организован Испытательный центр (ИЦ) для проведения неклинических (доклинических) исследований по медицинской безопасности, которые выполняются в соответствии с принципами надлежащей лабораторной практики (GLP), руководствами Организации экономического сотрудничества и развития (OECD), Международной конференции по гармонизации (ICH), а также рекомендациями нормативных документов Евразийского экономического союза (ЕАЭС).

Отдел ведёт большую научно-исследовательскую работу по изучению функций и свойств нового класса антибиотиков на основе природных антимикробных пептидов. Кроме того, одним из приоритетых направлений деятельности ИБХ РАН является подготовка высококлассных молодых специалистов для физико-химической биологии и биотехнологии. С этой целью в 1982 году академиком Ю.А. Овчинниковым в Институте был организован специализированный Учебный центр, который стал первым учебно-научным центром в нашей стране, объединившем в себе усилия академического института и ряда высших учебных заведений Российской Федерации в деле воспитания молодого поколения исследователей в областибиоорганической химии, физико-химической биологии и биотехнологии.