蛋白質的分子設計就是為有目的的蛋白質工程改造提供設計方案。雖然經過漫長歲月的進化，自然界已經篩選出了數量眾多、種類各異的蛋白質，但天然蛋白質只是在自然條件下才能起到最佳功能，在人造條件下往往就不行，例如工業生產中常見的高溫高壓條件。因而需要對蛋白質進行改造，使其能夠在特定條件下起到特定的功能。蛋白質的分子設計又可按照改造部位的多寡分為三類：第一類為“小改”，可通過定位突變或化學修飾來實現；第二類為“中改”，對來源于不同蛋白的結構域進行拼接組裝；第三類為“大改”，即完全從頭設計全新的蛋白質（de novo design）。有關全新蛋白質設計的內容請參見文獻，本文不贅述。

常見的蛋白質工程改造包括提高蛋白的熱、酸穩定性，增加活性，降低副作用，提高專一性以及通過蛋白質工程手段進行結構-功能關系研究等。由于對蛋白質結構-功能關系的了解不夠深入，成功的實例還不很多，因此更需要在蛋白質分子設計的方法學上開展深入研究。

蛋白質的分子設計可分為兩個層次，一種是在已知立體結構基礎上所進行的直接將立體結構信息與蛋白質的功能相關聯的高層次的設計工作，另一種是在未知立體結構的情形下借助于一級結構的序列信息及生物化學性質所進行的分子設計工作。此處只探討第一類分子設計，因為在利用三級結構信息的同時也運用了一級結構序列及有關生化信息，第一類的分子設計工作實際上已包含了第二類工作，而后者實際上是在不得已的情形下所進行的努力。

蛋白質分子設計的過程簡單說來就是首先建立所研究對象的結構模型，在此基礎上進行結構-功能關系研究，然后提出設計方案，通過實驗驗證后進一步修正設計，往往需要幾次循環才能達到目的。一般的分子設計工作可以按以下五個步驟進行：

（1）建立所研究蛋白質的結構模型，可以通過X射線晶體學、二維核磁共振等測定結構，也可以根據類似物的結構或其他結構預測方法建立起結構模型。

（2）找出對所要求的性質有重要影響的位置。同一家族中的蛋白質的序列對比、分析往往是一種有效的途徑。需要認真考慮此種性質受哪些因素的影響，然后逐一對各因素進行分析，找出重要位點，這是分子設計工作的關鍵。

（3）選擇一系列的在（2）中所選出位點上改變殘基所得到的突變體，一方面使蛋白質可能具有所要求的性質，另一方面又盡量維持原有結構，使其不做大的變動。盡量在同源結構中此位點已有的氨基酸殘基序列中進行選擇，同時考慮殘基的體積、疏水性等性質的變化所帶來的影響。

（4）預測突變體的結構。

（5）定性或定量計算優化所得到的突變體結構是否具有所要求的性質。能否成功地進行分子設計，除了要求有好的計算機軟件和高質量的力場以外，還要求工作者有一個堅實的結構化學和物理化學基礎，同時對所研究的問題有一個深入細致的了解。