historisches Experiment: Meselson und Strahl

Der semikonservative Mechanismus der DNA-Replikation war bereits von James Watson und Francis Crick vorgeschlagen worden, Matthew Meselson und Franklin Stahl bestätigten diese Hypothese mit einem Experiment.

Beide DNA-Stränge dienen als Vorlage für die Neubildung.

Der neu gebildete Strang ist eine Mischung aus Mutter- und Tochterstrang oder „altem” und „neuem” Strang.

In der Replikation dienen beide „alten” Stränge als Vorlage für die beiden neugebildeten DNA-Stränge.

Das Experiment von Meselson & Stahl

Ausgangspunkt sind zwei Bakterienkulturen. Eine davon (dunkelrot) wird in Wachstumsmedium mit schwerem Stickstoff (¹⁵N) kultiviert. In alle Biomoleküle werden nun nach und nach schwere Isotope des Stickstoffs eingebaut, auch in die DNA.

Die zweite Kultur wird in Wachstumsmedium kultiviert, das nicht mit schwerem Stickstoff versetzt ist. Hier wird die DNA nur ¹⁴N enthalten.

Proben dieser Ausgangskulturen werden eingesetzt, um zu bestimmen, wie „schwer“ oder „leicht“ die jeweilige DNA dieser Bakterien ist (-> wird benötigt, um die maximale und minimale Schwere in der Ultrazentrifugation zu ermitteln; vergleiche orange gestrichelte und rote Linie in Röhrchen zum Zeitpunkt 0).

Das eigentliche Experiment

Bakterien werden aus dem „schweren“ Medium (¹⁵N) in normales Wachstumsmedium überführt (¹⁴N)! Es wird jeweils DNA isoliert und diese Proben werden mit analytischer Ultrazentrifugation analysiert!

• Zum Zeitpunkt t = 0 (null Minuten) haben alle Bakterien noch schwere DNA!
• Nach ca. 20 Minuten (E. coli sollte sich nun einmal geteilt haben, das heißt die Zellen haben zuvor eine Replikation ihrer DNA durchgeführt) finden sich 100% der analysierten DNA genau in der Mitte der Extremwerte für schwere bzw. leichte DNA.
• Nach ca. 40 Minuten (2. Teilung der Bakterien) teilt sich der Anteil gefundener DNA in zwei Fraktionen: 50% bleiben auf der Bande der zweiten Teilung, 50% nehmen den Wert der leichten DNA ein.
• Nach einer Stunde (3. Teilung) verstärkt sich die leichte Fraktion (nun 75% der Gesamt-DNA) und verringert sich die schwere Fraktion auf nur noch 25%.

=> Die schwere Fraktion nimmt immer weiter ab.

Rückschluss:
Beide Stränge werden als Vorlage genutzt. In der ersten Replikation entstehen Tochterstränge aus einem „alten/schweren“ Strang und einem „neuen/leichten“ Strang. Wäre die Replikation konservativ, müsste ein schwerer und ein leichter Strang entstehen.