Tijekom većeg dijela povijesti medicinske znanosti, novi lijekovi su otkriveni putem pokušaja i pogrešaka ili jednostavno pukom srećom. Kako se povećala potražnja za novim i učinkovitijim lijekovima, nova metoda razvoja lijekova pod nazivom racionalni dizajn lijekova počela je zamijeniti stare metode. U racionalnom dizajnu lijekova, biološki aktivni spojevi su posebno dizajnirani ili odabrani za rad s određenim ciljem lijeka. Ova metoda često uključuje korištenje softvera za molekularni dizajn, koji istraživači koriste za stvaranje trodimenzionalnih modela lijekova i njihovih bioloških ciljeva. Iz tog razloga, proces je također poznat kao kompjuterski potpomognut dizajn lijekova.
Meta lijeka, ili biološka meta, obično je jedna od dvije vrste. Prva vrsta je molekula u ljudskom tijelu koja uzrokuje bolest kada je na neki način defektna. Druga je molekula mikroorganizma koji uzrokuje bolest. Razvoj lijekova uključuje otkrivanje ili dizajniranje novih kemijskih spojeva koji s tim ciljevima djeluju na koristan način, kao što je interakcija s kolesterolom kako bi se uklonila iz tijela ili interakcijom s virusom koji uzrokuje njegovu smrt.
Starije metode razvoja novih lijekova imaju nekoliko nedostataka koji otkrivanje lijekova čine skupim poslom. Najlakša i najbrža metoda za razvoj novog lijeka je jednostavno otkriti, pukom srećom, da je određeni spoj biološki aktivan protiv ciljanog lijeka. Možda najpoznatiji takav incident bio je otkriće penicilina od strane Alexandera Fleminga 1928. Mikrobiolog je otkrio prvi antibiotik kada su neke bakterijske kulture s kojima je radio postale kontaminirane baktericidnom gljivicom. Naravno, ova vrsta slučajnog otkrića ne događa se često, a sreća nije nešto na što se farmaceutske tvrtke oslanjaju za razvoj novih lijekova.
Najčešća metoda koja se koristi za razvoj novih lijekova je dugotrajan proces velikih razmjera koji se naziva kombinatorni pregled knjižnice. U tom procesu stvara se veliki broj kemijskih spojeva koji se zatim provjeravaju na biološko djelovanje. Ako određeni spoj pokazuje znakove interakcije s biološkom metom, on dobiva dodatnu pozornost i može se razviti u novi lijek. Ovaj proces može potrajati mnogo godina i enormne količine novca, ali čak i na kraju razdoblja razvoja, lijek možda neće biti dovoljno učinkovit ili dovoljno siguran za ljudsku upotrebu.
Racionalni dizajn lijeka je moderniji proces koji zahtijeva pažljivo razmatranje cilja lijeka kao i samog lijeka. Ova metoda dizajna lijekova koristi posebnu opremu za ispitivanje trodimenzionalne strukture mete lijeka i zatim pronalaženje spoja koji može komunicirati s metom. Ovaj proces stoga zahtijeva značajno poznavanje kemije, kao i biologije, jer kemijske interakcije između lijekova i njihovih meta određuju je li lijek biološki aktivan.
Spojevi se mogu locirati za ispitivanje na dva načina. Prvi uključuje korištenje kombinatornog pregleda knjižnice. U ovom slučaju, međutim, proces je pojednostavljen jer će istraživači koji koriste metode racionalnog dizajna lijekova pregledati knjižnicu za spojeve oblika koji je dovoljno specifičan da stupi u interakciju s metom lijeka od interesa. Druga metoda uključuje stvarni dizajn spoja koji može komunicirati s metom. To zahtijeva razmatranje kemijskog sastava spoja i znanje o tome koje bi kemijske skupine spoju mogle biti potrebne da bi mogao stupiti u interakciju s metom lijeka.
Prvi lijek razvijen korištenjem procesa racionalnog dizajna lijekova bio je antivirusni lijek pod nazivom Relenza®. Ovaj lijek je dizajniran za interakciju s proteinom gripe koji se zove neuraminidaza. Bez ovog proteina, virus gripe ne može inficirati nove stanice; stoga liječenje lijekom može skratiti trajanje bolesti. Drugi racionalno dizajnirani lijekovi uključuju lijekove protiv HIV-a kao što su ritonavir i indinavir, koji oba djeluju u interakciji s virusnim proteinima zvanim proteaze.