从恐龙时代到人类现代文明，自然界生命万物无时无刻不在进化发展、繁衍生息。生物进化的基本环节可概括为：突变、选择（海选/选拨）、隔离（优秀选手单独培养）、优良性状的脱颖而出或物种形成。在这个过程中，随机的基因突变一旦发生，就受到自然选择的作用，但是新性状特征的稳定或物种的形成则可能需要上万年时间的演化。
随着科学的进步和基因工程技术的不断发展，科学家们不禁设想：是不是可以在实验室创造出各种可能的基因突变组合，来模拟和加速自然进化和筛选的过程？按需设计，对症筛选，快速得到我们想要的功能为人类造福呢？
带着这种思考，美国加州理工大学的Frances H. Arnold教授率先将这种想法付诸于实施，用于生物酶的定向进化（Directed evolution），并在绿色化工、生物能源、医药等领域取得了一系列开创性成果。她本人也因此获得2018年诺贝尔化学奖。
蛋白质是生命活动的执行者。酶（enzyme）也是一种蛋白质，是生物体内的高效催化剂，生命体进化了形形色色、功能各异的酶和蛋白质催化细胞内各种化学反应和新陈代谢过程（如食物的消化，毒物的分解，养分的合成，植物的光合作用等）。这些反应和功能帮助细胞更好的适应其特定的生存环境，也可被聪明的人类利用来生产各类化学品、抗生素和药物等，减少化学合成法的环境污染问题。
定向进化自发展以来广泛应用于基础科研、绿色化工和制药行业。不仅用于提升酶已知的催化特性，以更加绿色环保的方式来生产塑料、农药、燃料等；还赋予酶催化自然界从未有过的化学反应的能力，使其在工业上具有更广泛的应用潜力。如：提高酶在特殊环境下的稳定性和活性；改变酶的底物或产物范围；改变酶的对映体选择性；抗体的定向进化；催化新的化学反应。