自然界許多物種（如植物、真菌與細菌等）在長久演化下，產生無以數計的
天然二次代謝物（Secondary Metabolites），分子量多在1,000 Da以下，
其有機分子結構複雜且具官能基多樣性（如Vancomycin、Taxol與Erythromycin等）
，此一特性使二次代謝物自古即成為藥物開發的重要資源。推究其因，主要
可歸於各物種在物競天擇壓力下，經由遺傳基因的連結，演化出各型基因與
酵素，以生物合成（Biosynthesis）的方式建構合成有機分子骨架，並提供多樣性
的官能基修飾，而產生有多樣生物活性的天然物（Natural Products）。

新型藥物的研發，除以傳統化學方法（如全合成與結構修飾等）開發新藥外，
目前另可以「導向演化（Directed Evolution）」原理搭配生物技術來產生
更多樣化的新穎化合物，即學習自然界天然物生物合成與演化的方式，利用
人為的手法與壓力（如遺傳基因與蛋白質工程），加速生合成基因與酵素或
其組成的生合成途徑（Biosynthetic Pathways）演化的進行，並以改造後的
基因或酵素進行有機分子骨架與官能基的修飾改造，創造出更多樣性的天然
與非天然有機分子的類似物，此類型的「組合式生物合成（Combinatorial
Biosynthesis）」為新型藥物開發提供另一種途徑與嶄新的思維。以生合成
酵素的導向演化在藥物研發的應用上而言，可將修飾天然物的酵素進行蛋白質
工程，快速產生各類催化相同或相似反應機制的酵素群，但具有多樣的受質
專一性（Substrate Specificity），因此能接受各類不同的有機分子受質
而合成或連結不同骨架的有機分子結構，而達成應用酵素催化進行組合化學
（Combinatorial Chemistry）的目標。此策略亦可應用在天然物生合成途徑的
基因群（Biosynthetic Gene Cluster）上，進行生合成途徑遺傳基因的
組合式置換與工程，並可選擇試管中或細胞內量產開發製程。此方式己有國內
學者進行開發研究，可為臺灣的藥物研發加注另一份力量與希望。

而在藥物的設計及合成上，有機化學家可應用既有的知識與經驗，研發新的
合成方法，有效率的以全合成的方式製備相關衍生物以發展新藥。另多經由
天然物篩選後找到藥物分子架構，進而加以化學結構修飾來提升藥效；現今
由於高效率篩選
（High-throughput Screening）技術、生物科技發展、電腦軟硬體開發及
數據處理能力等方面進步，在開發階段，透過藥物之物化性、安定性、藥物
動力學與作用標的物結合情形，科學家可獲知新化合物如何在人體內新陳代謝
，如何介入疾病方面，是否存在可行的路徑將藥物分子傳遞到生物目標？
化合物分子大小、特性對人體組織與器官等影響？傳輸方式應該是口服、注射
還是其他？藥物在人體的釋放和擴散速度有多快等訊息來進行化學結構與藥效
關係評估，再進一步加以化學結構修飾，以期望得到比原本藥物更佳的新藥物
，因此，「循理性藥物設計開發(Rational Drug Design)」亦為目前藥物發展
主流之一。 以抗癌藥物Taxol為例，透過其立體結構與活性關係
（Structure-Activity Relationship）等研究，Taxol半合成藥物及其衍生物
如：Docetaxel與Taxotere已陸續被開發及商品化；又，Camptothecin現除可由
天然物取得外，亦可藉全合成方式製備，經修飾後更可得到水溶性佳、毒性較佳
且抗癌活性更好的新型藥物。