Tras su regreso definitivo (1985), Ochoa dirigió un grupo de investigación en el centro de biología molecular e ingresó, en1987, en la Real Academia Nacional de Medicina.
Aunque también contribuyó en el estudio de la fotosíntesis, en el metabolismo de las grasas y el estudio del llamado ciclo de Krebs, su principal logro fue el descubrimiento de la enzima fosforilasa polinucleótido, que
int erviene en la síntesis del ARN, gracias a la cual Ochoa logró sintetizar por primera vez (1955) esta molécula en el laboratorio a partir de nucleótidos(este hallazgo fue decisivo para descifrar el código genético, ya que los ácidos nucleicos son moléculas muy grandes y complejas que están presentes en todas las células vivas y controlan la herencia).
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