अपनी डॉक्टरेट की डिग्री पूरी करने के बाद, मिताली 1997 में नई दिल्ली में इंस्टिट्यूट ऑफ जीनोमिक्स और इंटीग्रेटिव बायोलॉजी में शामिल हुईं। 
वह तब से जीनोमिक्स के क्षेत्र में काम कर रही है और मानव जीनोम में "अलू की कार्यात्मक भूमिका और न्यूरोडीजेनेरेटीव विकारों के आनुवंशिक आधार का गूढ़ रहस्य" की व्याख्या कर रही हैं। उन्होंने भारतीय जीनोम विविधता कंसोर्टियम की स्थापना में एक सक्रिय भूमिका निभाई जो "भारतीय आबादी का पहला आनुवंशिक परिदृश्य" के अग्रदूत है। अभिनव अनुसंधान के एक अन्य क्षेत्र ने सक्रिय रूप से उनके द्वारा हितावह किया है, भारतीय चिकित्सा प्रणाली के फिनोटाइपिंग आयुर्वेद के सिद्धांतों को "आणविक एंडोफोनोटाइप्स की पहचान के लिए आधुनिक चिकित्सा के वास्तविक मानदंडों के साथ एकीकृत किया है। उन्होंने इस अध्ययन को "आयुरजीनोमिक्स" कहा है। हालांकि, उनके निष्कर्षों को अभी तक व्यावहारिक अपनाने का पता नहीं चला है।

जीनोमिक्स के अपने अध्ययनों की एक अनूठी खोज "यह है कि जातीय और भाषाई विविधतापूर्ण भारतीय आबादी अलग-अलग डीएनए पैटर्नों से एकजुट हुई" ।
इससे अनुमान लगाया गया है कि जीनोमिक्स आधारित उपचार, जिसमें आयुर्वेद भी शामिल है, संभव है।  उन्होंने यह भी स्थापित किया है कि जीनोमिक डेटा को "प्राकृतिक चयन के हस्ताक्षर और उत्परिवर्ती इतिहास के अनुरेखण" को समझने के लिए अपनाया जा सकता है।

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