Wird im Vermehrungsprozess absichtlich eine hohe Fehlerrate eingebaut, so kann dieser Prozess zur schrittweisen Verbesserung der Eigenschaften eines Proteins verwendet werden. Da die meisten der Fehler zur Verschlechterung und nur wenige zur Verbesserung führen, sind auch nach der Selektion häufig gute und schlechte Mutationen gekoppelt. Indem man die resultierenden Gene zerschneidet und die Stücke neu zusammensetzt, erreicht man eine Rekombination, die hilft, mehrere gute Mutationen in einem Gen zu vereinen und gleichzeitig die schlechten Mutationen zu eliminieren. Dieser Prozess der "Evolution im Reagenzglas" stellt einen sehr effizienten Weg zur Verbesserung der Eignschaften eines Moleküls dar.

Durch Zugabe von synthetischen Oligonukleotiden im Rekombinationsschritt können zufällige und geplante Mutationen kombiniert oder die Mutationsrate in ganz bestimmten Regionen des Moleküls durch an einigen Positionen "randomisierte" (Zufallssequenzen enthaltende) Oligonukleotide gezielt erhöht werden. Auf diese Weise können die Stärken von rationalen Design (Protein Engineering) und zufallsabhängigen (evolutionären) Methoden kombiniert werden.