Meselsoni-Stahli katse ja DNA poolkonservatiivse replikatsiooni tõestus
Meselsoni–Stahli katse (1958) oli klassikaline eksperiment, mille viisid läbi Matthew Meselsoni ja Franklin Stahl, kasutades E. coli DNAd. Nende eesmärk oli määrata, kuidas täpselt toimub DNA replikatsioon — kas DNA koopiate süntees on poolkonservatiivne, konservatiivne või hajutatud. DNA molekul koosneb kahest vastastikku täiendavast spiraalist, mis on omavahel seotud. Poolkonservatiivse replikatsiooni korral jääb iga tütarmolekuli üks ahel vanast (originaalsest) DNAst ja teine ahel sünteesitakse uuena.
Kolm võimalikku replikatsioonimudelit
- konservatiivne replikatsioon: kogu originaalne DNA-molekul säilib muutumatuna ja sünteesitakse täiesti kaks uut DNA-molekuli.
- poolkonservatiivne replikatsioon: iga tütarmolekul koosneb ühest vanast (originaalsest) ahelast ja ühest vastsünteesitud ahelast.
- hajutatud (dispersiivne) replikatsioon: originaalsed ja uued nukleotiidijupid segunevad mõlemale tütarmolekulile, nii et mõlemas ahelas on vaheldumisi vanu ja uusi lõike.
Käik ja mõõtmismeetod
Meselson ja Stahl märgistusid DNA-d raskema lämmastiku isotoobiga, et eristada vanu ja uusi ahelaid tiheduse alusel. Nad kasvatasid baktereid esmalt keskkonnas, kus oli lämmastiku isotoop 15N (raskem isotoop), kuni kogu DNA oli tähistunud 15N-iga. Seejärel viidi rakud üle keskkonda, kus oli kerge isotoop 14N, ja lasti neil paljuneda üks või mitu korda 14N-keskkonnas. Iga ajapunkti järel ekstraheeriti DNA ja uuriti selle tihedust tihedusegradienttsentrifuugiga (tavaliselt tsesiumkloriidi CsCl ultratsentrifuug), mis eraldab DNA-speciesid vastavalt nende tihedusele.
Tulemused ja tõlgendus
Pärast ühte paljunemist 14N-keskkonnas leiti, et kogu DNA paiknes tiheduse osas vahepeal (intermediate) – mitte eraldi raskes (15N) ja kerges (14N) vormis. See tulemus ei ühti konservatiivse mudeliga (mis oleks andnud eraldi raske ja kerge bändi). Pärast kahte paljunemist 14N-keskkonnas ilmnesid kaks selget bändi: üks kerge bänd (14N/14N) ja üks vahepealne bänd (15N/14N). See vastas ootusele poolkonservatiivse replikatsiooni puhul: pärast ühte ringi sünteesitakse iga originaalse ahela kõrvale üks uus ahel, andes hübriidmolekulid (15N/14N); pärast teist ringi tekib pool molekulidest juba täielikult kerge (14N/14N) koosseisuga ja pool jääb hübriidseks. Dispersiivne mudel ei ennustanud eraldi kerget bändi pärast teist paljunemist (selle korral oleks jäädavalt nähtav üksainsa hõredusega bänd, mille tihedus nihkuks järk-järgult kerge poole), seega said ka hajutatud mudeli välistada.
Järeldus: Meselson ja Stahl kinnitasid, et DNA replikatsioon on poolkonservatiivne — iga tütarmolekul koosneb ühest vanast ja ühest vastsünteesitud ahelast. See elegantne ja selge katse andis tugeva eksperimentaalse kinnituse Watsoni–Cricki DNA-struktuuri mudelile ning on üks molekulaarbioloogia klassikalisemaid eksperimente.
Lisaks ajaloolisele tähendusele näitab katse ka, kuidas isotopiline märgistamine ja tihedusegradienttsentrifuug koos võimaldavad eristada ja jälgida molekulaarseid protsesse elusrakkudes. Tänapäeval on teadlased edasi arenenud meetoditega (nt märgistused, järjepõhine sekveneerimine), kuid Meselsoni–Stahli katse jääb harivaks näidiseks eksperimentaalse disaini ja loogilise tõendamise kohta.
Kokkuvõte kolmest soovitatud DNA-sünteesi meetodist
Küsimused ja vastused
K: Mis on Meselsoni-Stahli katse?
V: Meselsoni-Stahli katse oli Matthew Meselsoni ja Franklin Stahli 1958. aastal tehtud katse, mille käigus kasutati E. coli DNA-d, et teha kindlaks, et DNA replikatsioon on poolkonservatiivne.
K: Kuidas toimib poolkonservatiivne replikatsioon?
V: Poolkonservatiivse replikatsiooni puhul säilitatakse pool algsest DNA-st, samal ajal kui teine pool sünteesitakse uuteks niidideks.
K: Millised on kolm võimalikku viisi, kuidas DNA võib paljuneda?
V: Kolm võimalikku viisi, kuidas DNA võiks replikatsiooni toimuda, on konservatiivne replikatsioon, poolkonservatiivne replikatsioon ja hajutatud replikatsioon.
K: Kuidas tõestasid Meselson ja Stahl, et poolkonservatiivne replikatsioon on õige?
V: Et tõestada, et poolkonservatiivne replikatsioon on õige, panid nad bakterid keskkonda, kus nende DNAsse integreerus lämmastiku isotoop (N15). Seejärel kasutasid nad keskkonda, mis sisaldas N14, ja jälgisid, millised isotoobid olid bakterite DNAs olemas - leiti nii N15 kui ka N14, mis välistas konservatiivse ja hajutatud replikatsiooni kui võimalused.
K: Mida nad täheldasid, kui nad vaatasid N15-keskkonnas olevate keerisahelate aegadest?
V: Vaadeldes N15-keskkonna aegseid spiraalahelisid, leidsid nad mõned, kus oli ainult v, samas kui teistes olid olemas nii N14 kui ka N15.
