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.