蛋白质设计的最终目标在于创造有特定功能的蛋白质。虽然蛋白质设计发展迅速,但依旧面临诸多问题,其中主要问题与主链设计有关。在多数蛋白质结构设计过程中,要先确定待设计蛋白质的拓扑构造,然后通过某种途径得到可设计性高的主链,研究者才可以在此基础上添加功能限制、设计侧链,进而进行下游的研究。他人文献中使用的主链设计方法包括片段拼接方法和参数化方法。片段拼接以已实验解析的高质量蛋白质结构为基础,将这些结构拆分为多肽片段,用片段拼接产生符合设计目标的主链结构。这种方法受限于已有的高质量结构,且需要人工事先指定明确的整体结构,很难在大范围内探索可能的主链结构。参数化方法针仅仅适用于少数类型的结构设计,如螺旋束。其原理是利用刻画重复结构单元间空间关系的参数化方程来构建新的主链结构。这两类主链设计方法均不能做到按需自由设计主链,这严重阻碍了蛋白质设计的发展和应用。为实现不使用既有结构片段、自由设计主链的目标,本人所在课题组开发了聚焦蛋白质主链结构的统计能量函数SCUBA（SideChain Unknown Backbone Arrangement）。它可以用于在侧链待定的情况下对主链结构进行采样和优化。本文借助SCUBA,对如何有效设计蛋白质主链结构开展了一系列探索,建立了有效的设计流程。首先,本文探索了根据用户指定的拓扑结构产生初始主链,再对其进行优化的设计流程。在这方面,本研究成功尝试在天然蛋白质结构的基础上增加新的人工结构域,还从头设计了不同整体拓扑的四螺旋束,两类设计结果均得到高分辨率晶体结构的验证。在此基础上,本研究尝试了把该流程应用于改造红外荧光蛋白。通过在野生型蛋白上添加额外的螺旋,在不改变其与生色团配体结合的功能的前提下,成功把该蛋白由二聚体改造为单体。本文还探索了基于SCUBA搜索蛋白质可设计主链空间,以设计新颖的非天然主链。为此,本研究中使用随机摆放的6个螺旋片段作为初始结构,用SCUBA采样优化后得到合理堆积的多螺旋构象;通过选择恰当的环区把这些螺旋连接成单一肽链,从而得到若干种整体与自然界已知蛋白结构不一样的新颖主链。本研究实验检查了 13条设计序列,其中3条在大肠杆菌中可溶表达,它们的晶体结构分别与设计模型高度吻合。小分子结合蛋白一般具有内部空腔（结合口袋）用于结合小分子配体。基于此,本研究尝试用SCUBA设计具有内部空腔的蛋白质。在SCUBA驱动的随机动力学模拟中添加“空腔”与蛋白质的相互作用势。最终设计得到10条序列,有8条序列可溶性表达,其中一个蛋白的晶体结构得到解析,与设计的模型高度吻合。总结起来,本论文建立了用SCUBA设计蛋白质主链的有效流程,能够摆脱主链结构设计对既有结构片段模板的依赖,自由探索可设计性高的主链构象空间,多个设计结果得到高分辨晶体结构支持。与既有主链从头设计方法相比,本论文研究结果代表了蛋白质从头设计方法的重要进展。