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Sintetizó la urea a partir de compuestos inorgánicos (cianato de amonio), demostrando que los compuestos orgánicos podían ser creados artificialmente y no solo por organismos vivos. Este experimento fue un hito que dio origen a la química orgánica.
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Establecieron la teoría celular, reconociendo a la célula como la unidad básica estructural de todos los organismos, lo que condujo a cambios fundamentales en la fisiología y acercó más la química orgánica a la biología.
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Publicó "Química orgánica en sus aplicaciones a la agricultura y a la fisiología", donde sus ideas acerca de la base química de los procesos vitales y su estudio de la química animal y la fisiología de las plantas ayudaron a sentar las bases de la bioquímica.
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Demostró que la fermentación alcohólica es llevada a cabo por microorganismos vivos, estableciendo los fundamentos de la microbiología y la bioquímica fermentativa.
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Investigó la química de la sangre y otros materiales corporales, y fue el primero en cristalizar la hemoglobina, el pigmento rojo de la sangre, en 1864, ampliando el conocimiento sobre las proteínas.
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Acuñó el término "enzima" para describir los catalizadores biológicos que facilitan las reacciones químicas en los organismos vivos, estableciendo un concepto fundamental en bioquímica.
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Demostró que la fermentación podía ocurrir fuera de las células vivas usando extractos de levadura, lo que llevó al descubrimiento de las enzimas y consolidó la idea de que las reacciones bioquímicas podían ser estudiadas de manera independiente de las células vivas.
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Cristalizó la enzima ureasa, demostrando que las enzimas son proteínas. Este descubrimiento fue crucial para entender la naturaleza proteica de las enzimas y su función catalítica.
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Descubrió la penicilina, el primer antibiótico, revolucionando la medicina al introducir el uso de agentes químicos para tratar infecciones bacterianas.
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Considerado uno de los fundadores de la bioquímica moderna, hizo importantes contribuciones al estudio de la fermentación del alcohol y la glicólisis, describiendo las vías metabólicas involucradas.
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Propuso el ciclo de la urea y el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (ciclo de Krebs), fundamentales para el entendimiento del metabolismo y la bioquímica energética.
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Descubrió el ciclo de Cori, que describe cómo el glucógeno se convierte en ácido láctico en los músculos y luego en glucosa en el hígado, proporcionando una visión integral del metabolismo del glucógeno.
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Propusieron la estructura de doble hélice del ADN, lo que sentó las bases para la biología molecular y la comprensión del código genético.
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publicó la primera secuencia de aminoácidos completa de una proteína consiguiendo determinar la secuencia de 51 aminoácidos de las dos cadenas polipeptídicas de la hormona insulina.
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Descubrió la ruta de fijación del carbono en la fotosíntesis (ciclo de Calvin), describiendo cómo las plantas convierten el dióxido de carbono en glucosa utilizando la energía solar.
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Publicaron en 1965 una explicación molecular para la regulación de la expresión genética en procariotas, describiendo cómo se activan e inhiben los genes, y aspectos moleculares de la regulación de la actividad catalítica.
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Junto con Herbert Boyer desarrolaron la tecnología de ADN recombinante, una metodología para unir artificialmente fragmentos de ADN (ácido desoxirribonucleico) que no se encuentran juntos en la naturaleza. Ésa técnica permitió la transferencia genes de una especie a otra.
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Descubrió la telomerasa, una enzima que añade secuencias repetitivas de ADN a los telómeros, protegiendo los extremos de los cromosomas. Este hallazgo fue crucial para la comprensión del envejecimiento celular y el cáncer.
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Desarrollaron el método CRISPR/Cas9, que permite la edición precisa del ADN de animales, plantas y microorganismos. Este avance revolucionó la biotecnología y abrió nuevas posibilidades en la investigación genética y el tratamiento de enfermedades.