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Folge 034 – Das Meselson-Stahl-Experiment | Genetik Teil 6

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Inhalt der Folge:

  • Was ist die DNA Replikation?
  • In diesem 6. Teil der Genetikreihe sprechen wir über den semikonservativen Mechanismus der DNA Replikation und wie dieser durch das Meselson-Stahl-Experiment nachgewiesen wurde.

Was ist DNA Replikation?

  • Die DNA Replikation ist die identische Verdopplung der DNA.
  • Wie wir bereits in Folge 031 besprochen haben, läuft die DNA Replikation in der S-Phase des Zellzyklus ab.

Das Prinzip der DNA Replikation

  • Bei der DNA Replikation dienen die beiden alten DNA-Stränge als Kopiervorlage (Matrize) für die neu zu synthetisierenden Tochterstränge.
  • Die beiden alten DNA-Stränge werden zu Beginn der DNA Replikation in Einzelstränge aufgespalten.
  • An den DNA-Einzelsträngen werden anschließend neue komplementäre Stränge in antiparalleler Richtung synthetisiert.
  • Die beiden entstandenen Tochtermoleküle bestehen nach der DNA Replikation aus je einem alten und einem neu synthetisierten Strang.
  • Deshalb bezeichnet man den Verlauf der DNA Replikation auch als semikonservativ (halb-bewahrend).

Das der Verlauf der DNA Replikation semikonservativ ist, wurde von M. Meselson und F. Stahl mit dem Meselson-Stahl-Experiment nachgewiesen.

Das Meselson-Stahl-Experiment

Zu Beginn des Experimentes wurden drei verschiedene Hypothesen zu möglichen Replikationsmechanismen aufgestellt:

Hypothese Nr. 1 – Konservative Replikation

Konservative Replikation - Biologie Passion Podcast
  • Die beiden alten DNA-Stränge finden am Ende der Replikation wieder zu einem Doppelstrang zusammen und die beiden neu synthetisierten DNA-Stränge bilden zusammen den neuen Doppelstrang.

Hypothese Nr. 2 – Semikonservative Replikation

Semikonservative Replikation - Biologie Passion Podcast
  • Die beiden entstandenen Tochtermoleküle bestehen nach der DNA Replikation aus je einem alten und einem neu synthetisierten Strang.

Hypothese Nr. 3 – Disperse Replikation

Disperse Replikation - Biologie Passion Podcast
  • Die Tochtermoleküle bestehen aus einer abwechselnden Mischung von alten und neu synthetisierten Strängen.

Der Ablauf des Experimentes

  • Meselson und Stahl züchteten Darmbakterien der Art E. Coli in einem Nährmedium, dass anstelle des normalen Stickstoffs (14N) das Stickstoff-Isotop 15N enthielt.
  • So kam es zum Einbau des Stickstoff-Isotops 15N in die DNA der Bakterien.
  • Der Unterschied liegt darin, dass der Atomkern des Stickstoff-Isotops 15N ein Neutron mehr als der des normalen Stickstoffs (14N) enthält.
  • Deshalb ist das Stickstoff-Isotop 15N schwerer als der normale Stickstoff (14N).
  • Folglich ist auch die DNA von mit 15N gefütterten Bakterien schwerer, als die DNA von Bakterien die den normalen 14N-Stickstoff enthalten.
  • Als nächstes wurde DNA von den 15N-Bakterien und DNA von 14N-Bakterien extrahiert und einer Dichtegradienten-Zentrifugation unterzogen.
    • Dabei handelt es sich um ein physikalisches Verfahren, mit dem gelöste Moleküle anhand ihres Gewichts in einer Ultrazentrifuge getrennt werden können.
    • Das Zentrifugengefäß enthält eine Salzlösung, deren Konzentration zum Boden hin immer weiter zunimmt.
    • Während der Zentrifugation versinken die Moleküle in der Salzlösung deshalb nur bis zu einer bestimmten Tiefe – je schwerer, desto tiefer.
  • Es waren deutlich zwei verschiedene Banden zu erkennen:
    • Eine obere Bande mit der leichten 14N-DNA.
    • Und eine untere Bande mit der schweren 15N-DNA.
  • Diese beiden Banden dienten für den Rest des Experimentes als Referenzbanden.
  • Nach einiger Zeit wurden die Bakterien, die den schwereren Stickstoff in ihre DNA eingebaut hatten, in ein normales Nährmedium mit 14N-Stickstoff zurückgesetzt.
  • In den folgenden Replikationen bauten die Bakterien also wieder 14N-Stickstoff in ihre DNA ein.
  • Nach 20 Minuten wurden dann die Bakterien der ersten Nachfolgegeneration (F1-Generation) entnommen.
  • Danach wurde die DNA dieser Bakterien extrahiert und einer Dichtegradienten-Zentrifugation unterzogen.
  • Das Ergebnis war eine einzelne Bande, die genau zwischen den Referenzbanden der 14N-DNA und der 15N-DNA lag:
Meselon-Stahl-Experiment - Biologie Passion Podcast 2
  • Damit war klar, dass die DNA Replikation nicht konservativ sein kann, denn sonst hätte man zwei verschiedene Banden auf Höhe der Referenzbanden sehen müssen.
  • Nach dem sich die Bakterien ein zweites Mal geteilt hatten (F2-Generation), wurde die DNA dieser Bakterien erneut extrahiert und einer Dichtegradienten-Zentrifugation unterzogen.
  • Das Ergebnis waren zwei verschiedene, aber gleich große Banden:
    • Eine Bande die wie bei der F1-Generation genau zwischen den Referenzbanden der 14N-DNA und der 15N-DNA lag.
    • Und eine Bande die auf Höhe der 14N-Referenzbande lag.
  • Dieses Ergebnis entsprach genau der semikonservativen Replikation:
Meselon-Stahl-Experiment - Biologie Passion Podcast
  • Um die disperse Replikation auszuschließen, trennten Meselson und Stahl die DNA der F1-Generation in Einzelstränge auf und unterzogen diese einer Dichtegradienten-Zentrifugation.
  • Es waren deutlich zwei verschiedene Banden zu erkennen:
    • Eine obere Bande der Einzelstränge mit der leichten 14N-DNA.
    • Und eine untere Bande der Einzelstränge mit der schweren 15N-DNA.
  • Damit war klar, dass die DNA Replikation auch nicht dispers sein kann.
  • Denn sonst hätte sich nur eine Bande bilden dürfen, die genau wie bei der Doppelstrang-DNA zwischen den Referenzbanden der 14N-DNA und der 15N-DNA läge.
Meselson-Stahl-Experiment - Biologie Passion Podcast

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