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

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

• 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

• Die beiden entstandenen Tochtermoleküle bestehen nach der DNA Replikation aus je einem alten und einem neu synthetisierten Strang.

Hypothese Nr. 3 – Disperse Replikation

• 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:

• 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:

• 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.

Hier kommst du zurück zur Folgenübersicht!