La optimización de diseño multidisciplinaria (MDO) se ha aplicado previamente a problemas de diseño de alas aeroestructurales con gran éxito. La mayoría de las aplicaciones anteriores implican el ajuste fino de un ala de avión bien diseñada. En este trabajo, ampliamos el alcance del problema de optimización al explorar el espacio de diseño de la optimización de diseño aeroestructural de alas. Comenzamos con un ala rectangular y optimizamos la forma aerodinámica y el dimensionamiento de la estructura interna para lograr un mínimo consumo de combustible en una misión de crucero transónica. Utilizamos un procedimiento de optimización de múltiples niveles para disminuir el costo computacional en un 40%. Demostramos que la optimización puede transformar el ala rectangular en un ala barrida y cónica típica de un avión transónico. El optimizador converge a la misma forma de ala al comenzar desde un diseño inicial diferente. Además, utilizamos una restricción de separación en una condición de baja velocidad y alta sustentación para mejorar el rendimiento fuera de diseño del ala optimizada. La restricción de separación resulta en un diseño de ala sustancialmente diferente con mejor rendimiento a baja velocidad y solo una ligera disminución en el rendimiento de crucero.