Meselson–Stahl-kísérlet
A Meselson–Stahl-kísérlet genetikai kísérlet a DNS-kettőződés (replikáció) mechanizmusának elvi működésére vonatkozóan, melyet 1958-ban Matthew Meselson és Franklin Stahl folytatott le és publikált.
Háttere
James D. Watson és Francis Crick ismerve az általuk korábban leírt DNS struktúrát, feltételezte, hogy a replikáció csak szemikonzervatív módon mehet végbe. Vagyis a DNS kettős szál széttekeredik, a szülői DNS szálak templátként szolgálnak az utód szálak szintéziséhez, majd mindegyik következő generációban a replikálódó DNS duplex egy szülői és egy újonnan szintetizálódott szálat fog magában foglalni. Egy másik elképzelés szerint – a konzervatív modell alapján – a szülői és az utód szálak is egy-egy külön DNS duplexet alkotnak.
Amikor a feltevés napvilágot látott, meglehetősen kevés technológiai feltétel állt rendelkezésre, amely támogathatta volna a jelenség kísérletes bizonyítását. 1957-ben Meselson, Stahl és Jerome Vinograd kifejlesztettek egy sűrűség-gradiens elvén alapuló centrifugálási technikát, amely molekulákat jól el tud különíteni igen kis sűrűség-különbség alapján is. Az eszköz az általuk felvetett gondolatmenetet támogatta, annak bizonyítására, hogy a replikáció mely mechanizmussal zajlik le.
Sűrűség-gradiens ultracentrifugálás
Nagy centrifugális erők hatására a cézium-klorid (CsCl) molekulák disszociálnak. A nehéz cézium atomok a felszíni rétegek felől a mélyebb helyekre jutnak, a kloridionok ellentétes irányban. Ennek megfelelően egy a felszíni réteg felől egy relatíve meredek gradiens jön létre és az oldatban szuszpendált részecskék, magas (104–105 g) hatására sűrűségüknek megfelelő szinten helyeződnek. Több százezer g gyorsító potenciál esetén már a riboszómák, vagy más nagyméretű fehérjék is kiülepíthetők. Az ülepítésnél figyelembe veszik természetesen nem csak a részecske tömegét (sűrűségét) – amely egyenesen arányos az ülepedés sebességével – hanem a térfogatát is, ugyanis adott részecske ülepedési sebessége annak négyzetével arányos. Az alábbi táblázat néhány sejt és organellum sűrűségét tartalmazza.
| Biológiai anyag | Sűrűség (g/cm³) |
|---|---|
| Prokarióta sejtek | 1,05–1,15 |
| Emlős sejtek | 1,04–1,10 |
| Organellumok | 1,10–1,60 |
| Fehérjék | 1,30 |
| Dezoxi-ribonukeinsav (DNS) | 1,70 |
| Ribonukleinsav (RNS) | 2,00 |
A kísérlet
Az elmélet az volt, hogy valamilyen módszerrel jelölni lehessen a DNS-t, a választásuk a DNS-ben előforduló (a pirimidin és purinbázisok vázában) nitrogénre esett, melynek ismert volt egy normál atomtömegű és egy nehéznitrogén izotóp változata is. Ugyanis, ha a kísérlet alanyát képző E. coli baktériumokat normál nitrogént tartalmazó táptalajon nevelünk, annak DNS-e a centrifugacsőben a cső felszíni részében fog elhelyezkedni, azonban ha nehéznitrogént tartalmazón, ebben az esetben valamivel mélyebben.
Meselson és munkatársai E. coli kultúrát hosszabb ideig nehéznitrogén táptalajon nevelt, ekkor biztos volt, hogy a mikrobák DNS-e nehéznitrogént tartalmazott. Ezek után a kultúrát áttették normál nitrogént tartalmazó táptalajra. Hogy a replikáció módját ellenőrizni tudják, ismerni kellett a szóban forgó baktérium szaporodásfiziológiáját, mindenekelőtt az egymás után történő osztódások periodicitását tekintve. Mintát vettek az első, második, majd harmadik generációból is, centrifugálták, izolálták a DNS-üket, amely azt mutatta, hogy az első generációban a DNS minta a nehéz és a könnyű sávok között ülepedett ki, a második generációban egy könnyű és egy köztes DNS-nek megfelelő sávot kaptak, a harmadikban a könnyű DNS sávja sokkal szélesebbnek bizonyult. Ez kiváló igazolást adott a szemikonzervatív felételezésre, melyet már az első generáció eredményei is mutattak.
A kísérlet összegzése
Meselson és Stahl kísérlete tehát nem csupán egy igen fontos biológiai jelenségre adott magyarázatot, hanem ezzel együtt egy azóta is széleskörűen használt technológiai eljárás megalkotását is magával hozta. A megoldás szép példája annak, hogy egy adott felmerülő problémára a lehető legalkalmasabb metódust alkalmazzuk megoldásként.
Források
- Darnell, James. Molecular cell biology. New York: Scientific American Books Distributed by W.H. Freeman (1986). ISBN 0-7167-6001-0
- University of Vermont, Department of Biology / Genetics / Semiconservative Replication
- http://med.u-szeged.hu/mdbio/hun/anyagok/2015-2016/1.felev/smge/04/3.A_DNS_Szintezise[halott link]