酶設計
新酶的設計是蛋白質設計在生物工程和生物醫學領域的巨大應用。通常，設計蛋白質結構可能與設計酶不同，因為酶的設計必須考慮催化機制中涉及的許多狀態。然而，蛋白質設計是從頭進行酶設計的先決條件，因為至少催化劑的設計需要支架，在支架中可以插入催化機理。
在21世紀的前十年，從頭酶設計和重新設計取得了巨大進展。在三項主要研究中，David Baker和他的同事從頭設計了用于逆醛醇反應，消除Kemp反應和用于Diels-Alder反應的酶。此外，斯蒂芬·梅奧（Stephen Mayo）和他的同事開發了一種迭代方法，以設計最有效的已知酶來消除Kemp。此外，在實驗室布魯斯唐納德中，使用計算的蛋白設計來切換之一的特異性蛋白結構域的從其天然底物苯丙氨酸到其他非同源底物（包括帶電荷的氨基酸）產生Gramicidin S的非核糖體肽合成酶；重新設計的酶具有接近野生型的活性。
親和性設計
蛋白質間的相互作用涉及大多數生物過程。許多最難治療的疾病，例如阿爾茨海默氏病，多種形式的癌癥（例如TP53）和人類免疫缺陷病毒（HIV）感染都涉及蛋白質之間的相互作用。因此，為了治療這種疾病，期望設計結合相互作用的伴侶之一并因此破壞引起疾病的相互作用的蛋白質或蛋白質樣治療劑。這需要設計蛋白質治療劑以使其對伴侶具有親和力。
可以使用蛋白質設計算法設計蛋白質之間的相互作用，因為決定蛋白質穩定性的原理也決定了蛋白質之間的結合。但是，蛋白質間相互作用設計提出了蛋白質設計中通常不存在的挑戰。最重要的挑戰之一是，通常來說，蛋白質之間的界面比蛋白質核心更具極性，并且結合涉及去溶劑化和氫鍵形成之間的權衡。為了克服這一挑戰，布魯斯·提多爾（Bruce Tidor）和他的同事們開發了一種通過專注于靜電作用來提高抗體親和力的方法。他們發現，對于研究中設計的抗體，降低界面殘基的去溶劑化成本可提高結合對的親和力。
專為設計
蛋白質與蛋白質相互作用的設計必須具有高度特異性，因為蛋白質可以與大量蛋白質相互作用。成功的設計需要選擇性的粘合劑。因此，蛋白質設計算法必須能夠區分靶標結合（或陽性設計）和脫靶結合（或陰性設計）。特異性設計最突出的例子之一是Amy Keating和同事針對20個bZIP家族中的19個設計了特定的bZIP結合肽。這些肽中有8種對它們的預期伴侶比競爭性肽具有特異性。此外，安德森（Anderson）及其同事還使用正面和負面的設計來預測藥物靶標的活性位點的突變，從而賦予對新藥的抗性。陽性設計用于維持野生型活性，而陰性設計用于破壞藥物的結合。Costas Maranas和他的同事最近的計算重新設計也能夠通過實驗將念珠菌木糖還原酶的輔因子特異性從NADPH轉換為NADH。
蛋白質換膚
蛋白質表面修復包括設計蛋白質表面，同時保留完整的蛋白質整體折疊，核心和邊界區域。蛋白質表面重整對于改變蛋白質與其他蛋白質的結合特別有用。蛋白質表面修飾的最重要應用之一是在NIH疫苗研究中心設計RSC3探針以選擇廣泛中和的HIV抗體。首先，選擇gp120 HIV包膜蛋白與先前發現的b12抗體之間的結合界面之外的殘基進行設計。然后，基于進化信息，溶解性，與野生型的相似性和其他考慮因素選擇間隔的序列。然后使用RosettaDesign軟件在所選序列空間中找到最佳序列。
球狀蛋白的設計
球狀蛋白質是包含疏水核心和親水表面的蛋白質。球狀蛋白通常具有穩定的結構，這與纖維蛋白不同，后者具有多種構象。球蛋白的三維結構通常比纖維蛋白和膜蛋白更容易通過X射線晶體學和核磁共振確定，這使得球蛋白比其他類型的蛋白更具吸引力。最成功的蛋白質設計涉及球狀蛋白質。無論RSD-1 ，和頁首7.是從頭球蛋白的設計。貝克小組于2012年設計，合成并驗證了另外五種蛋白質結構。這些新蛋白質不具有生物功能，但結構旨在充當構建基塊，可以擴展以包含功能性活性位點。通過使用新的啟發式方法，在分析指定二級結構的序列各部分之間的連接環的基礎上，通過計算發現了結構。
膜蛋白的設計
已經成功設計了幾種跨膜蛋白，以及許多其他與膜相關的肽和蛋白。最近，Costas Maranas和他的同事開發了一種自動化工具，用于將E.coli的F型外膜孔蛋白（OmpF）的孔徑重新設計為任何所需的亞納米尺寸，然后將其組裝在膜中以完成精確的埃尺度分離。