Основные направления исследований:

• создание новых лекарственных средств направленного действия на физиологические и патологические процессы в организме человека;
• разработки молекулярно-генетических технологий и электронных устройств для высокоточной диагностики межмолекулярных взаимодействий и фенотипических изменений живых систем, включая следующие фундаментальные и прикладные проблемы:
‣ биомеханизмы антистарения,
‣ имплантируемые нанобиосенсоры,
‣ механизмы нейронной памяти,
‣ микро- и нанофлюидные биотехнологии,
‣ искусственное зрение,
‣ терагерцовые детекторы ДНК,
‣ эволюция раковых клеток,
‣ полногеномное секвенирование,
‣ пептидные антибиотики,
‣ лазерная фотодинамическая терапия.

Автор и соавтор более 150 публикаций в отечественных и зарубежных научных журналах в медицинских, биологических, химических, физических и технических областях знаний с максимальным импакт-фактором 45.5 (JAMA, 2021), в том числе 10 патентов на изобретения, полезные модели, базы данных и программы ЭВМ; более 25.000 цитирований; h−индекс: 43 (Scopus, 2024).

Под руководством академика М.В. Дубины подготовлены 30 аспирантов и докторантов в медицинских, физиологических, биологических, физико-математических, химических и технических областях наук.

В период 2008–2017 годов руководил фундаментальными и прикладными научно-исследовательскими проектами по программам ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» Минобрнауки России, Минпромторга России; Российского фонда фундаментальных исследований; Президиума РАН.

Член Межведомственной комиссии по вопросам формирования, сохранения и использования генетических ресурсов микроорганизмов (утверждённая Указом Президента Российской Федерации от 21 октября 2024 г. № 902).

Член Совета по сотрудничеству в области фундаментальной науки государств — участников СНГ.

Премии и награды

•‎ Премия им. проф. D. W. Lübbers (Германия), 1994 г.
•‎ Премия и золотая медаль Фонда поддержки науки и образования (Алферовский фонд), 2003 г.
•‎ Медаль ЮНЕСКО «За вклад в развитие нанонаук и наноиндустрии», ООН, 2016 г.
•‎ Премия имени И.П. Павлова, Правительство Санкт-Петербурга, 2016 г.
•‎ Юбилейная медаль «300 лет Российской академии наук», 2024 г.
•‎ Медаль имени И.В. Курчатова II степени, НИЦ «Курчатовский институт», 2024 г.
•‎ Орден Почёта, 2024 г.