Meselson–Stahl-eksperimentet: Bevis for semikonservativ DNA-replikation

Meselson–Stahl-eksperimentet blev udført af Matthew Meselson og Franklin Stahl i 1958 med E. coli‑DNA. Eksperimentet demonstrerede, at DNA-replikation foregår semikonservativt: Når to strenge i en dobbelthelix kopieres, bevares hver af de oprindelige enkeltstrenge i ét af de to nye dobbelthelixer, mens den anden streng i hver ny dobbelthelix er nysyntetiseret (dvs. dannet ved syntese).

Mulige replikationsmodeller

• Konservativ replikation: Den originale dobbelthelix bevares intakt, og der dannes en helt ny dobbelthelix ved syntese — forudsigelse: efter én generations replikation ville der være én "tung" og én "let" DNA-fraktion.
• Semikonservativ replikation: Hver ny dobbelthelix består af én gammel (oprindelig) og én ny enkeltstreng — forudsigelse: efter én generation en enkelt intermediær (hybrid) fraktion; efter to generationer både hybrid og let fraktion.
• Spredt (dispersiv) replikation: De gamle og nye nukleotider blandes i fragmenter i begge strenge — forudsigelse: efter én generation en intermediær fraktion; efter flere generationer én enkelt fraktion, men med tæthed der gradvis nærmer sig den lette.

Metode

Meselson og Stahl brugte en form for kvælstofisotop til at mærke DNA'et: de voksede først bakterier i medium indeholdende den tunge isotop N¹⁵, så var alt bakterielt DNA "tungt". Derefter overførte de bakterierne til medium med den almindelige, lettere isotop N¹⁴ og lod dem dele sig ét eller flere gange.

Efter hver generation udvandt de DNA og adskilte molekyler efter tæthed ved hjælp af centrifugering i et tæthetsgradientmedium (cesiumchlorid, CsCl). Fordi N¹⁵-mærket gør DNA tungere end N¹⁴-mærket, kan man aflæse om DNA'et består af to "tunge" strenge, to "lette" strenge eller en blanding (hybrid) ved at se, hvor DNA'et danner bånd i gradienten.

Resultater og fortolkning

Resultaterne var klare:

• Efter én celledeling i N¹⁴-medium fandt man kun ét bånd med en intermediær tæthed (hver DNA-molekyle havde én tung og én let streng). Dette udelukker den konservative model (som ville give både et tungt og et let bånd efter én generation).
• Efter to celledelinger så man to bånd: ét let og ét intermediært (hybrid). Dette er netop hvad den semikonservative model forudsiger. Den dispersive model ville i stedet give ét bånd, hvis tæthed gradvis skiftede mod den lette over flere generationer, ikke to adskilte bånd.

Derfor konkluderede Meselson og Stahl, at DNA-replikation er semikonservativ.

Betydning

Eksperimentet giver et elegant, direkte bevis for den måde, genetisk information kopieres på ved dobbelthelixen. Det understøttede den molekylære model for DNA (Watson–Crick‑modellen) og lagde grundlaget for senere detaljerede undersøgelser af replikeringsmaskineriet (DNA-polymeraser, primers, replisomer osv.). Metoden med isotopmærkning og tæthetsgradienter er også et klassisk eksempel på, hvordan simple, velkontrollerede eksperimenter kan afgøre grundlæggende biologiske spørgsmål.