現代のバイオテクノロジーは1970年代後半に登場した際、組換えDNAの出現とともに、まず保健分野に応用された。その10年後、同じ分子生物学的手法は、論争を伴いながらも農業および食品産業へと広がった。最終的に、バイオテクノロジー研究者は、生きた触媒に新たな遺伝子を導入し、あらかじめ定められた生産ニーズに合うようゲノムを改変することで、工業微生物プロセスの能力を高め始めた。こうした操作は遺伝子工学とみなされたが、実際には工学的側面は現実というより比喩に近いものであった。むしろ、「遺伝子のブリコラージュ」（すなわち試行錯誤）が、長期間にわたり、この分野で非常にうまく主流を占めていた。
しかしながら、1990年代末までにシステムズバイオロジーが登場し、2000年代初頭にはシンセティックバイオロジーが台頭したことで、微生物、さらにはより高等な生命システムを、多様な起源の原料を価値ある製品へと変換する「産業規模の変革」のための主体として設計する方法は、根本的に変わった。ジカルボン酸（コハク酸およびアジピン酸）、ジオール（1,3-プロパンジオールおよび1,4-ブタンジオール）、ジアミン（プトレシンおよびカダベリン）をはじめ、工業的に重要な多様な化学物質を生産できる微生物がこれまでに開発されてきた。業界で長く知られてきた一部の細菌や酵母は、現在では遺伝的に再プログラム化・再目的化され、例えばバイオ燃料の前駆体となる脂質の生産に利用されている。ガソリンやテレフタル酸といった天然には存在しない化学物質でさえ、代謝工学によって生産できるようになった。
さらに、現代のバイオテクノロジーは、多糖類（微生物セルロース）、タンパク質（クモの糸）、さらには従来は合成ポリマーであったもの（ポリ乳酸およびポリ[乳酸-co-グリコール酸]）を含むバイオマテリアルを、改変された微生物の発酵によって生み出してきた。一部の菌株は、多様な生体ポリエステルのファミリーであるポリヒドロキシアルカン酸を生産するよう首尾よく設計されており、環境に配慮した包装、医療、スマート素材への応用が期待されている。
さらに、既存の生物システムが持つ特異な性質（例えば極限環境微生物）に基づき、発酵を行うための革新的なバイオプロセスの開発が進んでおり、例えば「海水や非無菌条件下での発酵」などが挙げられる。決して無駄ではなく、システムに基づく代謝工学は、世界経済フォーラムによって「2016年の新興技術トップ10の一つ」に選ばれた。
しかしながら、こうした成功にもかかわらず、化学・製造業界は、現存する多くの石油ベースのプロセスに取って代わり得るバイオベースの変革や生物模倣的手法の導入に、依然として大きく消極的である。制約要因は、実験室規模の操作を、経済的に実行可能で産業規模の同等のプロセスへと転換することの難しさにある。生きた触媒の不安定性、大量の水の消費、下流工程での処理の困難さにより、多くの場合望ましい生産方法の転換が阻まれてきた。
では、先進的なバイオテクノロジーは、付加価値の高い分子をわずかな量しか生産できないのだろうか。第四次産業革命の行き詰まりを打開するためには、生物学的側面と産業的側面の双方において、さまざまな課題に取り組む必要がある。生きた触媒のゲノムおよび表現型の安定性は、バイオプロセスの効率を、すでに純粋な化学分野で存在するものに匹敵させるうえで極めて重要である。これは単なる技術的問題ではなく、取り組むべき根本的な科学的問いである。生産条件下でのストレスと染色体の恒常性（導入された遺伝的デバイスを含む）との相互作用について、広範な調査を行い、その制御のための新たなアプローチを開発する必要がある。
その間、無細胞生産システムは、予測可能性という課題に対する暫定的な解決策を提供できるかもしれない。非飽和水分条件下での遺伝子発現、非常に高い細胞密度での生理、自発的な溶菌による細胞残渣の最小化といった追加の生物学的課題の検討は、バイオプロセスを大規模産業にとってより魅力的なものにするうえで確実に役立つだろう。
しかし、課題は生物学的なものだけではない。プロセス工学の側面にも課題がある。近年のゲノム編集の目覚ましい進歩とは対照的に、基本的な発酵手法は、古代エジプト人がビールを生産していた時代からほとんど変わっていない。鉢や樽に入れた水性の栄養培地に活性物質を接種し、目的の変換が起こるか、目的の化合物が生成されるまで放置するというものである。
現代の工学は、発酵を驚くほど高度に制御することを可能にし、確かにバイオリアクターの種類も拡大してきた。より洗練された設計に向けて。しかし、現在も大半の工業的バイオ生産は、適切な株の単一の純粋培養を接種した、大量の水性の滅菌培地で満たされた容器に依存している。生産性は、グラム毎リットルで測定されている。
この現状を改善する余地は大いにあり、一部の自然システムがどのようにして大量の化合物を生産するのかについての研究を促進することが求められる。例えば、牛の乳房やゴムの木の驚異的な生産性から着想を得て、水をほとんど使わず、滅菌運転が可能で、操作が容易な新しいタイプのバイオリアクターを設計することはできないだろうか。これらのシステムをこれほど効率的にしている工学的論理とは何か。
そのような最適に進化した生物反応器からは、既存のプラットフォームに生物触媒を適応させようとすることにとどまらず、多くのことを学ぶことができる。必要な場所での生産、すなわち「治療の現場での生産」も、小型で携帯可能な環境において生体分子を生成するための新たな概念を必要としており、それは現在のものとは確実に異なるものとなるだろう。
最後に、現代のバイオテクノロジーは、世界の工業代謝と生物圏の地球生物化学的循環との間の乖離を克服するうえで、多くの貢献が可能である。歯止めのかからない工業、農業、都市開発による廃棄物は、大量の温室効果ガス、分解されないプラスチック、微量汚染物質、窒素およびリンの大きな不均衡、そして管理しきれないほどの大量のリグノセルロース系残渣を生み出してきた。
地球規模の環境微生物叢は、こうした人為的廃棄物を、私たちの惑星を支える元素の循環と再び結びつけるための最も重要な味方となり得る。もし少数の化学反応（例えば窒素固定のためのハーバー・ボッシュ法）が地球の生態系を変えることができたのであれば、大規模なバイオベースの介入を展開し、かつての環境の均衡を回復し、新たな均衡を生み出すことで、人類の影響を緩和する方法も模索できるだろう。
もちろん、これは単なる学術的な実験ではなく、多くの利害関係者が関わり、慎重なガバナンスを必要とする多層的な取り組みである。それでも、次世代が直面する驚異的な環境課題を踏まえると、何もしないことや従来通りのやり方を続けることこそが、最大のリスクをもたらすことは間違いない。
