Przez większość historii nauk medycznych nowe leki odkrywano metodą prób i błędów lub po prostu dzięki łutowi szczęścia. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na nowe i skuteczniejsze leki nowa metoda opracowywania leków, zwana racjonalnym projektowaniem leków, zaczęła zastępować stare metody. W racjonalnym projektowaniu leków związki biologicznie czynne są specjalnie projektowane lub wybierane do pracy z konkretnym celem leku. Metoda ta często wiąże się z wykorzystaniem oprogramowania do projektowania molekularnego, którego naukowcy używają do tworzenia trójwymiarowych modeli leków i ich celów biologicznych. Z tego powodu proces ten znany jest również jako komputerowe wspomaganie projektowania leków.
Cel leku lub cel biologiczny jest zwykle jednym z dwóch typów. Pierwszy typ to cząsteczka w ludzkim ciele, która powoduje chorobę, gdy jest w jakiś sposób uszkodzona. Druga to cząsteczka mikroorganizmu chorobotwórczego. Rozwój leków obejmuje odkrywanie lub projektowanie nowych związków chemicznych, które oddziałują z tymi celami w korzystny sposób, na przykład poprzez interakcję z cholesterolem w celu usunięcia go z organizmu lub poprzez interakcję z wirusem, aby spowodować jego śmierć.
Starsze metody opracowywania nowych leków mają kilka wad, które sprawiają, że odkrywanie leków jest kosztownym biznesem. Najłatwiejszą i najszybszą metodą opracowania nowego leku jest po prostu odkrycie, dzięki zwykłemu szczęściu, że pewien związek jest biologicznie aktywny przeciwko celowi leku będącemu przedmiotem zainteresowania. Być może najbardziej znanym takim incydentem było odkrycie penicyliny przez Aleksandra Fleminga w 1928 roku. Mikrobiolog odkrył pierwszy antybiotyk, gdy niektóre kultury bakterii, z którymi pracował, zostały skażone bakteriobójczym grzybem. Oczywiście tego rodzaju przypadkowe odkrycie nie zdarza się zbyt często, a szczęście nie jest czymś, na czym firmy farmaceutyczne polegają przy opracowywaniu nowych leków.
Najpopularniejszą metodą stosowaną do opracowywania nowych leków jest długotrwały proces na dużą skalę, zwany przeszukiwaniem biblioteki kombinatorycznej. W tym procesie powstaje duża liczba związków chemicznych, które są następnie badane pod kątem aktywności biologicznej. Jeśli dany związek wykazuje oznaki interakcji z celem biologicznym, otrzymuje dalszą uwagę i może zostać przekształcony w nowy lek. Proces ten może jednak zająć wiele lat i kosztować ogromne kwoty, a nawet pod koniec okresu rozwoju lek może nie być wystarczająco skuteczny lub wystarczająco bezpieczny do stosowania u ludzi.
Racjonalne projektowanie leków to bardziej uproszczony proces, który wymaga starannego rozważenia celu leku, a także samego leku. Ta metoda projektowania leków wykorzystuje specjalny sprzęt do badania trójwymiarowej struktury celu leku, a następnie znalezienia związku, który może wchodzić w interakcje z celem. Proces ten wymaga zatem znacznej wiedzy z zakresu chemii i biologii, ponieważ chemiczne interakcje między lekami a ich celami decydują o tym, czy lek jest biologicznie aktywny.
Związki do testów można zlokalizować na dwa sposoby. Pierwszy polega na zastosowaniu kombinatorycznego przeszukiwania bibliotek. W tym przypadku jednak proces jest uproszczony, ponieważ badacze stosujący metody racjonalnego projektowania leków będą przeszukiwać bibliotekę pod kątem związków o kształcie, który jest wystarczająco specyficzny, aby wchodzić w interakcje z celem leku będącym przedmiotem zainteresowania. Druga metoda obejmuje faktyczne zaprojektowanie związku, który może wchodzić w interakcje z celem. Wymaga to rozważenia składu chemicznego związku i wiedzy o tym, jakich grup chemicznych związek może wymagać, aby był zdolny do interakcji z celem leku.
Pierwszym lekiem opracowanym w procesie racjonalnego projektowania leków był lek przeciwwirusowy o nazwie Relenza®. Lek ten został zaprojektowany do interakcji z białkiem grypy zwanym neuraminidazą. Bez tego białka wirus grypy nie może zainfekować nowych komórek; dlatego leczenie lekiem może skrócić czas trwania choroby. Inne racjonalnie zaprojektowane leki obejmują leki na HIV, takie jak rytonawir i indynawir, które oddziałują z białkami wirusowymi zwanymi proteazami.