Die historischen Hintergründe des Meselson-Stahl-Experiments

  • 1869 entdeckte der Arzt Miescher erst mal Desoxyribonukleinsäure -kurz DNS- in Zellen. 1943 konnte Avery nachweisen, dass die DNS der Träger der Erbinformation ist. 1953 wurde ihr Aufbau von Watson und Crick nachgewiesen.
  • Nachdem nachgewiesen war, dass DNS die genetischen Informationen verschlüsselt enthält und wie ihr Aufbau ist, war noch unklar, wie sie sich bei der Zellteilung auf die beiden Tochterzellen verteilt. Bei jeder Zellteilung muss die Erbinformation vollständig weitergegeben werden und darf nicht halbiert werden.
  • 1958 veröffentlichten Meselson und Stahl ihr Experiment zum Nachweis, dass die DNS semikonservativ verdoppelt oder repliziert wird. Sie forschten an Bakterien.

Der DNS-Replikatonsmechanismus einfach erklärt

  1. Die DNS wird vor jeder Zellteilung verdoppelt, d.h. repliziert, um dann wieder vollständig auf beideTochterzellen verteilt zu werden. So kommt es zu keinem Verlust von Erbinformation.
  2. Die DNS besteht aus zwei Strängen, die beide die Erbinformation enthalten, einfach nur jeweils "gespiegelt". Bei der Replikation wird dieser Doppelfaden geöffnet und an jedem Strang ein neuer aufgebaut.
  3. Dieser Mechanismus heisst "semikonservative Replikation", da am Ende jedes entstandene DNS-Molekül jeweils aus einem alten und einem neu synthetisierten Strang besteht. Diese werden dann auf die Tochterzellen verteilt.

Der Versuchsablauf des Meselson-Stahl-Experiments

  • Das Experiment basiert darauf, dass bei der Replikation neue DNS-Stränge aus Materialen aus der Zelle aufgebaut werden. Ein Material ist Stickstoff. Er wird von den Zellen aus der Umwelt aufgenommen.
  • Meselson und Stahl züchteten Bakterien auf einem Nährmedium, das einen schwereren Stickstoff enthielt, als den normal vorkommenden. Die Bakterienzellen nehmen diesen schweren Stickstoff auf und benutzten ihn, um jeweils einen neuen DNS-Strang für ihre Zellteilung herzustellen.
  • Die neu synthetisierte DNS besteht dann aus einem Strang mit normalem "leichten" Stickstoff und einem Strang mit dem "schweren" Stickstoff, da an jedem alten Strang ein neuer aufgebaut wird. Die neu entstandenen und die alten Bakterienzellen haben also alle zwei unterschiedlich schwere DNS-Stränge.
  • Nach der ersten Zellteilung nach circa 20 Minuten entnimmt man die Bakterien vom Nährmedium und zentrifugiert sie. Bei dieser Technik wird nach der Schwere eines Stoffes aufgetrennt. Die bakterielle DNS sammelt sich an einer einzigen Stelle an, da ja alle Zellen -sowohl die Mutter-, als auch die Tochterzellen dieselben zwei DNS-Stränge haben.
  • Die DNS sammelt sich an einer Stelle, an der sich schwerere Stoffe als DNS, die nur aus dem normalen leichten Stickstoff aufgebaut ist, sammeln. Damit ist erklärt, dass in der neu synthetisierten DNS auch schwerer Stickstoff verwendet wurde.
  • Im nächsten Schritt des Meselson-Stahl-Experiments werden wieder Bakterien auf einem Nährmedium mit schwerem Stickstoff gezogen, aber diesmal gewartet, dass sie sich zweimal teilen. Zentrifugiert man die DNS dieser Bakterien ab, sammelt sich eine DNS-Bande auf Höhe der DNS, der Bakterien, des ersten Experimentschritts. Ein Teil der Bakterien hat also wieder eine DNS, die aus einem Strang mit schwerem und einem Strang mit leichtem Stickstoff aufgebaut ist. Eine zweite DNS-Bande sammelt sich aber tiefer, da sie aus zwei Strängen mit schwerem Stickstoff aufgebaut ist.
  • Beim letzten Schritt des Experiments ist Folgendes passiert: Zunächst wird an der leichten DNS an jedem Strang ein neuer "schwerer" Strang synthetisiert. Die beiden nun halb leichten, halb schweren DNS-Moleküle werden auf die Tochterzellen der ersten Generation verteilt. Bei der nächsten Zellteilung wird an jedem Strang schwere DNS aufgebaut, sodass am Ende aus einem halb schweren, halb leichten DNS Molekül ein DNS-Molekül mit zwei rein schweren Strängen und wieder ein gemischtes entstanden sind.

Das Meselson-Stahl-Experiment erklärt einfach, dass die DNS semikonservativ repliziert wird und nicht diskontinuierlich oder konservativ.