Dopo il conseguimento della laurea tornò in Russia, ma su invito del professor Jean Prevost fece ritorno a Ginevra, diventando assistente del Dipartimento di fisiologia. Qui iniziò, insieme allo scienziato svizzero Friedrich Batelli (assistente di Prevost), la ricerca nel campo dell'ossidazione biologica, il cui risultato fu la scoperta dell'enzima polifenolo ossidasi. Per quasi 20 anni, insieme a Batelli analizzò il fluido nei tessuti cellulari, sperimentò la loro regolazione e l'azione di vari catalizzatori su di essi, sviluppando un nuovo metodo per studiare la respirazione che rivoluzionò la medicina. Fecero scoperte fondamentali come una nuova classe di enzimi, la deidrogenasi; scissero l'idrogeno dal substrato ossidato, stabilirono e descrissero i vari tipi di processi ossidativi, stabilirono la conversione ciclica degli acidi malico e fumarico. Così iniziarono lo studio del ciclo degli acidi tricarbossilici, ciclo che fu decifrato interamente da Hans Krebs nel 1937, studi per i quali ricevette il Premio Nobel.