酵素は生体触媒としてほとんどすべての化学反応を速めていますが、19世紀末までは「生命にしか作れない特別な力」として捉えられていました。サムナーはジャックビーン（ナタマメ）のウレアーゼをアルコール沈殿と再結晶で高純度にし、1937年にX線回折で規則正しい結晶格子を示しました。この結果、酵素がタンパク質であること、そして試験管内でも物理化学的な手法で取り扱えることが実証されました。この発見は酵素学だけでなく、現代のバイオテクノロジーや製薬プロセスの基盤となっています。例えば洗剤に使われる消化酵素や、血液検査キットの酵素は、この「純粋な酵素」が作れる技術なしには存在しません。サムナーの功績は「生命と化学の境界」を取り払った重要な一歩として評価されています。

サムナーは酵素が高分子タンパク質であることを実証するため、ジャックビーン粉末を塩酸抽出後、アセトン・エタノール沈殿、透析、pH制御による等電点沈殿を組み合わせ、ウレアーゼ活性を保持した結晶を得た。結晶の比旋光度と窒素含量を測定し、非タンパク性補酵素の混入がないことを確認したうえで、ウレアーゼが単一タンパク質であると結論づけた。彼の手法は後の巨大酵素複合体の分離やクロマトグラフィー技術の発展に強い影響を与えた。サムナーの結晶化はX線結晶構造解析による酵素立体構造決定への道を切り開き、構造生物学の出発点となった。純粋試料により酵素反応速度論のミカエリス–メンテン式が検証され、定量的酵素学が確立した。これらの技術は産業酵素の大量生産、バイオセンサー、酵素工学へと拡大し、今日のバイオ産業の基盤を形成している。

サムナーはウレアーゼ抽出液を70％エタノールで沈殿させ、pH4.8付近で析出した沈殿画分を冷却結晶化することで、純度90％超の単一タンパク質結晶を得た。比旋光計測値[α]D=–66°とカールフィッシャー水分測定を用いてタンパク質含量を精密化し、補因子や糖鎖の関与を否定した。1937年の低角度X線散乱解析では六方晶系ユニットセルa=134Åが得られ、分子量約480kDaの六量体であることが示唆された。結晶中での活性測定からNi2+活性中心が保持されることが示され、メタロ酵素結晶化の可逆性の先駆的例となった。これらのデータはタンパク質化学を「colloid chemistry」から「molecular biology」へ橋渡しし、後のヘモグロビン構造決定を技術的に支えた。