酶设计
新酶的设计是蛋白质设计在生物工程和生物医学领域的巨大应用。通常，设计蛋白质结构可能与设计酶不同，因为酶的设计必须考虑催化机制中涉及的许多状态。然而，蛋白质设计是从头进行酶设计的先决条件，因为至少催化剂的设计需要支架，在支架中可以插入催化机理。
在21世纪的前十年，从头酶设计和重新设计取得了巨大进展。在三项主要研究中，David Baker和他的同事从头设计了用于逆醛醇反应，消除Kemp反应和用于Diels-Alder反应的酶。此外，斯蒂芬·梅奥（Stephen Mayo）和他的同事开发了一种迭代方法，以设计最有效的已知酶来消除Kemp。此外，在实验室布鲁斯唐纳德中，使用计算的蛋白设计来切换之一的特异性蛋白结构域的从其天然底物苯丙氨酸到其他非同源底物（包括带电荷的氨基酸）产生Gramicidin S的非核糖体肽合成酶；重新设计的酶具有接近野生型的活性。
亲和性设计
蛋白质间的相互作用涉及大多数生物过程。许多最难治疗的疾病，例如阿尔茨海默氏病，多种形式的癌症（例如TP53）和人类免疫缺陷病毒（HIV）感染都涉及蛋白质之间的相互作用。因此，为了治疗这种疾病，期望设计结合相互作用的伴侣之一并因此破坏引起疾病的相互作用的蛋白质或蛋白质样治疗剂。这需要设计蛋白质治疗剂以使其对伴侣具有亲和力。
可以使用蛋白质设计算法设计蛋白质之间的相互作用，因为决定蛋白质稳定性的原理也决定了蛋白质之间的结合。但是，蛋白质间相互作用设计提出了蛋白质设计中通常不存在的挑战。最重要的挑战之一是，通常来说，蛋白质之间的界面比蛋白质核心更具极性，并且结合涉及去溶剂化和氢键形成之间的权衡。为了克服这一挑战，布鲁斯·提多尔（Bruce Tidor）和他的同事们开发了一种通过专注于静电作用来提高抗体亲和力的方法。他们发现，对于研究中设计的抗体，降低界面残基的去溶剂化成本可提高结合对的亲和力。
专为设计
蛋白质与蛋白质相互作用的设计必须具有高度特异性，因为蛋白质可以与大量蛋白质相互作用。成功的设计需要选择性的粘合剂。因此，蛋白质设计算法必须能够区分靶标结合（或阳性设计）和脱靶结合（或阴性设计）。特异性设计最突出的例子之一是Amy Keating和同事针对20个bZIP家族中的19个设计了特定的bZIP结合肽。这些肽中有8种对它们的预期伴侣比竞争性肽具有特异性。此外，安德森（Anderson）及其同事还使用正面和负面的设计来预测药物靶标的活性位点的突变，从而赋予对新药的抗性。阳性设计用于维持野生型活性，而阴性设计用于破坏药物的结合。Costas Maranas和他的同事最近的计算重新设计也能够通过实验将念珠菌木糖还原酶的辅因子特异性从NADPH转换为NADH。
蛋白质换肤
蛋白质表面修复包括设计蛋白质表面，同时保留完整的蛋白质整体折叠，核心和边界区域。蛋白质表面重整对于改变蛋白质与其他蛋白质的结合特别有用。蛋白质表面修饰的最重要应用之一是在NIH疫苗研究中心设计RSC3探针以选择广泛中和的HIV抗体。首先，选择gp120 HIV包膜蛋白与先前发现的b12抗体之间的结合界面之外的残基进行设计。然后，基于进化信息，溶解性，与野生型的相似性和其他考虑因素选择间隔的序列。然后使用RosettaDesign软件在所选序列空间中找到最佳序列。
球状蛋白的设计
球状蛋白质是包含疏水核心和亲水表面的蛋白质。球状蛋白通常具有稳定的结构，这与纤维蛋白不同，后者具有多种构象。球蛋白的三维结构通常比纤维蛋白和膜蛋白更容易通过X射线晶体学和核磁共振确定，这使得球蛋白比其他类型的蛋白更具吸引力。最成功的蛋白质设计涉及球状蛋白质。无论RSD-1 ，和页首7.是从头球蛋白的设计。贝克小组于2012年设计，合成并验证了另外五种蛋白质结构。这些新蛋白质不具有生物功能，但结构旨在充当构建基块，可以扩展以包含功能性活性位点。通过使用新的启发式方法，在分析指定二级结构的序列各部分之间的连接环的基础上，通过计算发现了结构。
膜蛋白的设计
已经成功设计了几种跨膜蛋白，以及许多其他与膜相关的肽和蛋白。最近，Costas Maranas和他的同事开发了一种自动化工具，用于将E.coli的F型外膜孔蛋白（OmpF）的孔径重新设计为任何所需的亚纳米尺寸，然后将其组装在膜中以完成精确的埃尺度分离。
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