现代生物技术兴起于20世纪70年代末，最初应用于卫生领域，重组DNA技术由此出现。十年后，同样的分子方法进入农业和食品行业，这一过程并非没有争议。最终，生物技术专家开始通过引入新基因使活催化剂，并修饰其基因组以满足预先设定的生产需求，从而增强工业微生物过程的能力。尽管此类操作被视为基因工程，但实际上其中的“工程”成分更多是隐喻而非现实。相反，我们或许可以称之为“基因修补术”（即反复试错）在很长一段时间内相当成功地主导了该领域。
然而，20世纪90年代末系统生物学的出现，以及21世纪初合成生物学的兴起，彻底改变了设计微生物乃至更高等生命系统的格局，使其成为将各种来源的原料转化为高价值产品的“工业规模转化”的媒介。能够生产多种具有工业重要性化学品的微生物已被开发出来，包括二元羧酸（琥珀酸和己二酸）、二元醇（1,3-丙二醇和1,4-丁二醇）、二元胺（腐胺和尸胺）等众多其他化学品。业界早已熟知的一些细菌和酵母，如今可以经过基因重编程并重新用于新用途，例如生产作为生物燃料前体的脂类。甚至汽油和对苯二甲酸等非天然化学品，现在也可以通过代谢工程生产。
此外，当代生物技术已通过对工程化微生物进行发酵，生产出多种生物材料，包括多糖（微生物纤维素）、蛋白质（蜘蛛丝），甚至包括原本属于合成聚合物的材料（聚乳酸和聚（乳酸-共-乙醇酸））。一些菌株已成功设计用于生产聚羟基脂肪酸酯——一类多样的生物聚酯，可用于环保包装、医药及智能材料等领域。
此外，创新生物加工日益基于现存生物系统（例如嗜极生物）的特殊性质来开发发酵工艺，例如在海水及非无菌条件下。世界经济论坛将基于系统指导的代谢工程列为2016年十大新兴技术之一，这并非偶然。
然而，尽管取得了这些成功，化工和制造业仍普遍不愿采用可取代众多现有石油基工艺的生物基转化和仿生实践。限制因素在于难以将实验室规模的操作转化为经济可行、工业规模的同等工艺。活催化剂的不稳定性、大量用水以及下游加工的困难，阻碍了许多情况下本可欢迎的生产方式转型。
那么，先进生物技术是否仅限于生产少量高附加值分子？要克服第四次工业革命面临的僵局，需要在生物和工业两方面解决多个问题。活催化剂的基因组和表型稳定性对于使生物过程效率达到纯化学领域现有水平至关重要。这不仅是一个技术问题，更是一个需要解决的基础科学问题。应广泛研究在生产条件下，应激与染色体稳定性（包括植入的基因装置）之间的相互作用，并开发新的控制方法。
与此同时，无细胞生产系统可能为可预测性挑战提供一个过渡性解决方案。其他生物学问题，例如在非饱和水分条件下的基因表达、极高细胞密度下的生理机能，以及因自发裂解而导致的细胞碎片最小化，无疑将有助于使生物过程对大型产业更具吸引力。
但挑战不仅限于生物学层面，还存在于工艺工程方面。与近年来基因组编辑的惊人进展相比，自古埃及人酿造啤酒以来，基础发酵方法基本保持不变。将活性剂接种到盛有水性营养培养基的陶罐或木桶中，任其发展，直至发生所需转化或生成所需化合物。
现代工程技术已能以极高的程度控制发酵，并且确实扩展了生物反应器的类型，向更为复杂的设计方向发展。然而，大多数工业生物生产仍依赖于装有大量水基无菌培养基的容器，并接种单一纯培养菌株。生产率则以克每升计量。
改善这一现状仍有很大空间，可通过研究某些自然系统如何大量生产化合物来实现。例如，在设计一种用水量极少、可无菌运行且操作简便的新型生物反应器时，我们能否从奶牛乳房或橡胶树的卓越生产效率中获得启发？使这些系统如此高效的工程逻辑是什么？
除了尝试使生物催化剂适应现有平台之外，此类经过优化进化的生物反应器还有许多值得借鉴之处。在需求所在地或诊疗现场进行生产，同样需要在小型化、便携式环境中生成生物分子的新概念，这些概念无疑将与我们目前的做法有所不同。
最后，现代生物技术在弥合全球工业代谢与生物圈地球生物化学循环之间的脱节方面大有可为。未加约束的工业、农业及城市发展所产生的废弃物，已造成大量温室气体、难降解塑料、微污染物，以及氮和磷的严重失衡，并产生了难以管理的大量木质纤维素残渣。
全球环境微生物组可能成为我们的主要盟友，助力将此类人为废弃物重新接入维系地球运转的元素循环之中。若某些化学反应（例如用于固氮的哈伯-博世法）能够改变地球的生态，我们也可探索通过实施大规模生物基干预措施来减轻人类影响的途径，旨在恢复先前的环境平衡并建立新的平衡。
当然，这不仅仅是一项学术实验，而是一项涉及众多利益相关方、需要审慎治理的多阶段使命。然而，鉴于下一代所面临的巨大环境挑战，无所作为和照常经营无疑构成最大风险。
