自然界中，各种不同类群的微生物在多种不同的环境中生长定植，例如，土壤微生物、肠道微生物等。微生物之间以及其定植环境（材料）的互作，在生物地球化学系统物质循环、生态系统平衡和人体健康等发挥重要的功能。通过道法自然界中材料与微生物界面互作，近年来发展的材料-微生物人工杂合体系，利用材料实现对微生物的功能调控，赋予微生物细胞新的功能或活性，在人工光合作用、药物递送、CO2固定、微生物燃料电池和活体功能材料领域都显示出较大的潜力。例如，通过高效吸收光能的半导体材料与微生物结合，将光合作用效率低的天然光合生物变为高效（低效到高效转变），将不能利用光能的微生物转变为利用光能为胞内代谢提供能量（能到不能转变）。