按照预定要求在基因水平上改变蛋白质的编码序列以获得新蛋白质的技术。由于它是在基因工程的基础上发展并仍需运用基因工程的一整套技术，所以又称第二代基因工程。基因工程与蛋白质工程主要的区别在于前者生产的是天然蛋白质；而后者是人为设计的具有某些特定性质的新蛋白质。

长期以来，人们一直希望能制造出比天然蛋白质性能更为优越的新蛋白质。例如，酶是生物体产生的催化剂，其催化效率比一般工业催化剂高几千万甚至几千亿倍，具有高度专一性。绝大多数酶必须在温和的生理条件下发挥作用，而工业生产往往是在高温或强酸、强碱等剧烈条件下进行的，这就限制了酶在工业上的应用。如能通过蛋白质工程对酶进行改造，使之适于工业应用，则将导致化学工业上的一场革命。

蛋白质工程的内容包括基因操作、蛋白质结构分析、结构与功能关系的研究以及新蛋白质的分子设计，这是紧密相连的几个环节。其中基因的克隆及其序列测定是进行蛋白质工程的先决条件。按照预定要求进行新蛋白质的分子设计则有赖于对蛋白质结构与功能关系的了解。在80℃高温的温泉中存在的蛋白质能耐受高温酷热而不变性，胃蛋白酶能在很酸的条件下发挥作用，组成血管与韧带的蛋白质富有弹性。这些蛋白质所具有的特殊性质与它们各自特定的结构有着内在的联系。由于蛋白质结构分析的发展，通过X射线晶体衍射技术测定了立体结构的蛋白质已有几百种，搞清楚氨基酸排列顺序的蛋白质的数目就更多了。这就使人们有可能深入地探讨蛋白质的结构与其性能间的关系，逐步搞清对应于各种性质的不同结构基础。在此基础上就可总结出一整套用于蛋白质工程的分子设计原则。

在现阶段，人们还不能从头开始设计和制造一个定做的新蛋白质，但蛋白质工程已经朝着定向改造物种的品性方面迈出了有决定意义的一步。这就是采用基因合成或定位突变方法，包括寡核苷酸诱变、盒式诱变及基因直接修饰等方法，有针对性地改变蛋白质编码基因中的某些部分。例如，更换遗传密码子，删去或插入一段遗传密码等，并通过基因工程获得相应的突变蛋白，然后研究其性质的变化。自1982年蛋白质工程问世以来，不少实验室竞相开展这方面的研究，取得了一批引人注目的成果。

在开发有实际应用价值的产品方面，蛋白质工程有着巨大的潜力和广阔的前景。例如，用基因工程生产的β-干扰素和白细胞介素-2都会因形成错配的二硫键而使产品降低药效。应用蛋白质工程技术把引起错配的那个半胱氨酸残基改为丝氨酸残基后，就消除了这一弊病。枯草杆菌蛋白酶是一个主要工业用酶，大量用于洗涤剂中。但它易被氧化而失活，故不能与有氧化性的增白剂混用。通过蛋白质工程将该酶分子中易氧化的甲硫基改为不被氧化的基团，可望解决这一问题。在农业方面，把蛋白质工程作为设计优良微生物农药的途径，对农药分子进行修饰，可使之具有更强的杀虫效能。更为诱人的是核酮糖二磷酸脱羧酶的蛋白质工程。这是自然界中含量最丰富的酶之一，植物通过光合作用固定二氧化碳需要该酶参与。但这个酶还参与植物的光呼吸作用，使一半左右已固定的碳又被氧化成二氧化碳。因此，若能通过蛋白质工程将此酶催化光呼吸作用的活性降低，甚至消除，将具有很大意义。

在理论研究方面，蛋白质工程是研究蛋白质（包括酶）的结构与功能的一种有力工具。例如在酶学研究中，应用这一技术，不仅可进一步了解酶的各种特性与其结构之间的关系，而且对研究酶与底物之间相互作用的本质、作用力的大小及其在催化中的贡献等均可提供定量的数据，从而有助于更深入地阐明酶的作用原理。