Експериментът на Меселсон и Щал е класически опит, проведен от Матю Меселсон и Франклин Щал през 1958 г., при който се използва ДНК на E. coli. С този експеримент те показват, че репликацията на ДНК е полуконсервативна. ДНК е изградена от две взаимносвързани спирали, оформящи двойната спирала. При полуконсервативната репликация при образуването на всяка нова молекула една от нишките остава от оригиналната молекула, а другата нишка се синтезира наново чрез синтез.

Възможни модели на репликация

  • Консервативна репликация: цялата оригинална двунишкова молекула се запазва непроменена и от нея се синтезира напълно нова двунишкова молекула. След един кръг на репликация се очакват две отделни групи молекули — всички „стари“ и всички „нови”.
  • Полуконсервативна репликация: всяка новообразувана молекула съдържа една стара и една нова нишка; след един кръг всички молекули са „хибридни” (по една стара + една нова нишка), а след няколко кръга се появяват както хибридни, така и напълно нови (леки) молекули.
  • Разпръсната (дисперсна) репликация: старата ДНК се разделя на парчета и при репликацията се образуват молекули, в които фрагменти от стара и нова ДНК са разпръснати по двете нишки; предсказва се постепенен „смесен” профил на плътността, различен от полуконсервативния.

Метод (напр. в експеримента на Меселсон и Щал)

Меселсон и Щал използват техника за маркиране с азотни изотопи и разделяне по плътност. Бактериите се отглеждат първоначално в среда, съдържаща тежкия изотоп азот (N15), така че целият азот в ДНК да бъде „тежък”. След това клетките се прехвърлят в среда с лекия изотоп (N14) и се оставят да преживеят една или две репликационни поколения. След всяко поколение ДНК се извлича и се центрофугира в градиент от CsCl (цезиев хлорид). При това разделяне молекулите се отделят според своята буoyantна плътност, която зависи от съдържанието на N15 спрямо N14. Разположението на ДНК в градиента се определя чрез измерване на абсорбцията на ултравиолетова светлина.

Наблюдения и тълкуване

Основните наблюдения са:

  • След един кръг репликация (едно поколение в N14 след растеж в N15) всички молекули показват един единствен „междинен” (хибриден) слой, чиято плътност е между плътностите на чисто N15- и чисто N14-ДНК. Това изключва консервативния модел, който би дал два отделни слоя (един тежък и един лек) след първото делене.
  • След втори кръг репликация се появяват два слоя: един лек (чисто N14) и един междинен (хибриден). Това съответства точно на предсказанието за полуконсервативната репликация (половината молекули са хибридни, а половината — напълно нови). При дисперсната репликация би се наблюдавал един единствен слой, който постепенно се измества към по-лека плътност, но не би се появил отделен лек и отделен хибриден слой с интензитет, съвместим с наблюдаваните данни.

Значение и последици

Експериментът на Меселсон и Щал дава експериментално потвърждение на модела за полуконсервативна репликация, предложен въз основа на структурата на ДНК от Уотсън и Крик. Той е важен етап в развитието на молекулярната биология, защото показа как генетичната информация се копира точно и даде основа за по-нататъшни изследвания на ензимите и механизмите, участващи в репликацията (например ДНК-полимерази, примази и т.н.). Резултатите също така демонстрират полезността на метода „маркиране с изотопи + градиентна центрофуга” за изучаване на молекулни процеси.

Кратко резюме: чрез използване на азотен изотоп и разделяне по плътност Меселсон и Щал доказват, че при репликация на ДНК всяка нова молекула съдържа една стара (материнска) и една новосинтезирана нишка — тоест репликацията е полуконсервативна.