Tilraun Meselsons og Stahl

Tilraun Meselsons og Stahl sem Matthew Meselson og Franklin Stahl framkvæmdu og greindu frá í tímaritinu PNAS staðfesti tilgátu Watsons og Crick þess efnis að afritun DNA í lífverum væri hálfgeymin, það er, að þræðir DNA-sameindarinnar væru afritaðir hvor fyrir sig.

Bakgrunnur

Hinar þrjár hugsanlegu leiðir til afritunar DNA: Geymna, hálfgeymna og tvístrandi leiðin.

Árið 1953 sýndu Watson og Crick fram á að bygging DNA-sameindarinnar svipaði til hringstiga, þar sem tveir andsamsíða kirnaþræðir vefjast hvor um annan og er haldið saman af vetnistengjum líkt og væru þau rimar stigans. Þeir lögðu fram tilgátu sem útskýrt gæti hvernig lífverur fara að því að afrita erfðamengi sitt villulaust á milli kynslóða. Tilgátan, sem þeir nefndu hálfgeymna afritun (e. semiconservative replication), var á þá leið að við afritun væru þræðirnir tveir raktir hvor frá öðrum og þjónuðu sem sniðmát fyrir eigin afritun sem þá væri hálfgeymin vegna þess að dóttur-tvíþráðungarnir tveir sem myndast við afritunina innihéldu einn „gamlan“ þráð (sniðmátið) og einn „nýjan“ (afritið).

En, það mátti hugsa sér fleiri möguleika og árið 1955 birti David P. Bloch tilgátu um algeymna afritun (e. conservative replication) þar sem ákveðin DNA-bindiprótín sem kallast histón aflaga DNA-tvíþráðunginn og rjúfa vetnistengin án þess þó að skilja þræðina hvor frá öðrum, en gera það kleift að afrita báða þræðina samtímis.

Þriðji möguleikinn var svokölluð tvístrandi afritun (e. dispersive replication), en um þá tilgátu fjallaði Max Delbrück árið 1954. Samkvæmt þessari hugmynd væri DNA-sameindin klippt niður í búta og tvíþráðungur smíðaður út frá hverjum bút þannig að út kæmi blendingshringstigi þar sem nýsmíðað og eldra DNA skiptist á.

Tilraunin og niðurstöður hennar

Í tilrauninni sem við þá er kennd nýttu Meselson og Stahl sér þá staðreynd, að þó yfirgnæfandi meirihluti köfnunarefnisatóma í DNA sé af samsætunni sem hefur massatölu 14, þá er hægt að skipta köfnunarefninu út fyrir köfnunarefni-15 (¹⁵N) án þess að það raski starfsemi þess eða byggingu.

Þeir Meselson og Stahl ræktuðu því E. coli um sem svarar mörgum kynslóðum í æti sem var mikið auðgað með ¹⁵N, en við það verður hlutmergð ¹⁵N í DNA bakteríunnar margföld á við það sem annars er. Að ræktun lokinni einangruðu þeir DNA úr frumunum, leystu það upp í dúa sem innihélt CsCl og spunnu það í háhraðaskilvindu, en við það myndar vatnslausn af CsCl eðlisþyngdarstigul og risasameindir á borð við DNA leita á þann stað í skilvinduglasinu þar sem þyngdarkraftur vegna spunans og uppdrifskraftur sameindarinnar núllast út. Nú er DNA sem inniheldur mikið ¹⁵N eilítið eðlisþyngra en DNA sem inniheldur lítið ¹⁵N og Meselson og Stahl gátu því greint DNA úr auðgaðri rækt frá DNA úr óauðgaðri rækt. Aðferð þeirra var einnig nægilega næm til að þeir gætu greint DNA sem væri að hálfu upprunnið í auðgaðri rækt og að hálfu í óauðgaðri. Nú tóku þeir sýni úr auðguðu ræktinni, sáðu í óauðgað æti og ræktuðu áfram. Þeir tóku sýni á 20 mínútna fresti, en kynslóðatími E. coli er 20 mínútur við kjöraðstæður, einangruðu DNA greindu hversu mikið af „þungu“, „meðalþungu“ og „léttu“ DNA var í sýnunum.

Ef tilgáta Blochs væri rétt og afritun DNA væri algeymin ættu eingöngu að finnast „þungar“ og „léttar“ DNA-sameindir í sýnunum, en Meselson og Stahl greindu einnig „meðalþungar“ sameindir og var raunar allt DNA í fyrstu kynslóð eftir sáninguna á því formi. Þeir gátu því útilokað tilgátu Blochs. Ef tilgáta Delbrücks væri rétt og afritunin væri tvístrandi myndi eðlisþyngd DNA-sameindanna nú stigléttast með hverri kynslóð og nálgast „létt“ DNA smám saman. Ef tilgáta Watsons og Crick væri rétt ætti hins vegar að vera tvenns konar DNA í annarri kynslóð, „meðalþungt“ og „létt“ og ætti að vera hér um bil jafn mikið af hvoru. Síðan myndi hlutmergð þess „meðalþunga“ að fara minnkandi þar til allt mælanlegt DNA er á „létta“ forminu.

Niðurstöður Meselsons og Stahl voru í samræmi við líkan Watsons og Crick og staðfestu því að afritun DNA í E. coli er hálfgeymin.