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Su principal aportación fue consecuencia de una minuciosa investigación que tenía como objetivo descifrar la clave del llamado código genético. Trabajó junto conHenrich Matthaei. Uno de sus primeros trabajos fue “The dependence of cell free protein synthesis in E. coli upon naturally occurring of synthetic polyribonucleotides’,que apareció en Proceedings of the National Academy of Sciences, de Washington, en 1961. Identificó los codones, la secuencia de tres unidades químicas del ADN, querecogen cada uno de los 20 aminoácidos que forman las moléculas de las proteínas. La conquista definitiva de la clave se produjo en 1965, lo que supuso para la genética unlogro de gran trascendencia y para la medicina nuevos horizontes en los que desarrollar nuevos trabajos.
Nirenberg planteaba en su trabajo cómo traducir mediante unexperimento la información genética contenida en el ADN en las moléculas proteicas de las células. El problema de la clave genética se centra en lasiguiente pregunta:¿Cómo puede un alfabeto de cuatro letras (bases A, G, C y T) especificar un diccionario de 20 palabras correspondientes a los 20 aminoácidos? Este trabajo describe elmodomediante el cual varias combinaciones de estas bases, o letras de la clave, proporciona la información bioquímica específica que usa la célula para fabricar las proteínas:moléculas gigantesconstruidas a partir de 20 tipos de aminoácidos. Cada subunidad de aminoácido es dirigida a un lugar apropiado en la cadena proteica por unasecuencia de letras de la clave en la molécula (o moléculas)del ADN que cada organismo hereda de sus antepasados, este ADN es el que es moldeado a través de la evolución.