Die Molekularbiologie befasst sich mit den chemischen Vorgängen an molekularen Strukturen von zellulären Bestandteilen. Das sind in erster Linie die DNA, die RNA und die Proteine. Die Übergänge zwischen der Molekularbiologie, der Biochemie und der Genetik sind fließend.

Die Funktionsweise einer Zelle lehrt uns, dass in der DNA die Erbinformation in Form einzelner Gene gespeichert ist. Soll ein Gen zum Protein übersetzt werden, wird eine Kopie des Gens angefertigt. Diese Kopie nennt sich im Englischen ‚messenger RNA‘. Das Ribosom – eine der kompliziertesten molekularen Maschinen – bindet die ‚messenger RNA‘ und dekodiert ihre Information für den Bau des Proteins. Das Protein verlässt in Form einer Aminosäurekette das Ribosom (Primärstruktur) und beginnt sich nach den Gesetzen der Thermodynamik in Spiralen und Blätter zu falten (Sekundärstruktur). Anschließend lagern sich Spiralen und Blätter zu einer Tertiärstruktur – einer dreidimensionalen Struktur im Nanobereich. Häufig werden gleiche oder verschiedene Proteine in Dimer- oder Multimerstrukturen organisiert (Quartärstruktur).

Proteine, die chemische Reaktionen katalysieren, werden Enzyme genannt. Zur Fortbewegung bilden Bakterien an ihrer Oberfläche molekulare Maschinen, die einen Drehimpuls erzeugen. Spinnenseide bildet Strukturen aus Proteinen, die mit bloßem Auge sichtbar sind.

Will man ein Protein produzieren, besorgt man sich den Bauplan aus dem Wirtsorganismus und bringt ihn in einen Produktionsorganismus. Man kultiviert eine ausreichende Menge des Organismus (z.B. 1 kg) und gibt das Signal zur Produktion des Proteins. Unterdessen füttert man den Produzenten mit Aminosäuren. Im einfachsten Fall kann das fertige Protein anschließend geerntet werden. Im Fall von Insulin muss es steril verpackt werden und kann dem Patienten bzw. der Patientin anschließend injiziert werden.