Eksperyment Meselsona i Stahla (1958) — dowód półkonserwatywnej replikacji DNA

Modele możliwej replikacji

Są trzy różne sposoby, w jaki ta replikacja może się zdarzyć:

• konserwatywna replikacja: Oryginalne DNA pozostaje nietknięte — po podziale powstają jedna cząsteczka identyczna z oryginałem (dwie "stare" nici) i jedna składająca się w całości z dwóch nowo zsyntetyzowanych nici.
• półkonserwatywna replikacja: Każda z dwóch nici oryginalnej helisy pełni funkcję matrycy dla nowej nici — każda potomna cząsteczka zawiera jedną starą i jedną nową nić.
• rozproszona replikacja: Mechanizm zakłada, że zarówno stare, jak i nowe fragmenty są mieszaniną w każdej z nici potomnych — po replikacji każda nić zawiera fragmenty starego i nowego DNA przemieszane wzdłuż łańcucha.

Metoda eksperymentu

Meselson i Stahl zastosowali prostą i elegancką procedurę rozróżniania starych i nowych nici DNA za pomocą ciężaru. Najpierw hodowali bakterie w medium zawierającym cięższy izotop azotu (N15), dzięki czemu całe ich DNA stało się „ciężkie”. Następnie bakterie przeniesiono do medium z lżejszym izotopem azotu (N14) i pobierano próbki DNA po kolejnych rundach replikacji (po 0, 1, 2 pokoleniach itp.).

Izolowane DNA poddawano wirowaniu w gradientach CsCl (sól cezu) w ultrawirówkach — technice zwanej równowagową wirowaniem gęstości. W takim gradientcie cząsteczki DNA osiągają pozycję odpowiadającą ich gęstości; cząsteczki zawierające cięższy N15 osiadają głębiej (są „cięższe”), a te z N14 wyżej (są „lżejsze”). Po wirowaniu obserwowano pojawiające się pasma DNA i mierzyło się ich gęstości.

Przewidywania dla trzech modeli

• Konserwatywny model: po jednej rundzie replikacji powinny wystąpić dwa oddzielne pasma — jedno ciężkie (stare-stare) i jedno lekkie (nowe-nowe).
• Półkonserwatywny model: po jednej rundzie powstanie pojedyncze pasmo o pośredniej gęstości (hybrydowe — każda cząsteczka ma jedną ciężką i jedną lekką nić). Po drugiej rundzie pojawią się dwa pasma: jedno hybrydowe i jedno lekkie (czyste N14/N14).
• Rozproszony model: po jednej rundzie również utworzy się pasmo o pośredniej gęstości. Po kolejnych rundach nadal występowałoby jedno pasmo o coraz to nieco mniejszej gęstości (stopniowe rozrzedzanie ciężkiego materiału), ale bez wyraźnego rozdzielenia na dwa oddzielne pasma.

Wyniki

Wyniki Meselsona i Stahla były zgodne z przewidywaniami półkonserwatywnej replikacji. Po pierwszym podziale (jednej rundzie replikacji w medium z N14) obserwowano jedno pasmo o pośredniej gęstości — dowód przeciwko modelowi konserwatywnemu. Po drugiej rundzie pojawiły się dwa pasma: jedno pośrednie (hybrydowe N15/N14) i jedno lekkie (N14/N14). To rozdzielenie na dwa pasma wykluczyło model rozproszonej replikacji, pozostawiając jako najlepsze wyjaśnienie model półkonserwatywny.

Znaczenie eksperymentu

• Eksperyment potwierdził przewidywania modelu struktury Watsona i Cricka dotyczące sposobu kopiowania informacji genetycznej i stał się jednym z klasycznych dowodów w biologii molekularnej.
• Przedstawiona metoda (znakowanie izotopowe i równowagowe wirowanie gęstości) pokazała mocnej techniki biochemicznej do rozwiązywania podstawowych pytań o mechanizmy komórkowe.
• Wyniki eksperymentu Meselsona i Stahla są często cytowane w podręcznikach jako „najpiękniejszy eksperyment w biologii molekularnej” — prosty w koncepcji, a decydujący w rezultacie.

Podsumowując: Meselson i Stahl użyli izotopów azotu i precyzyjnej analizy gęstości DNA, aby wykazać, że replikacja u E. coli (i ogólnie u organizmów posiadających dwuniciowe DNA) jest półkonserwatywna — każda cząsteczka potomna zawiera jedną starą i jedną nowo zsyntetyzowaną nić.