Historischer Kontext & Replikationsmodelle
Diskussion in den 1950er Jahren
Nach der Strukturhypothese der DNA war klar: Vor jeder Zellteilung muss die Erbinformation zuverlässig verdoppelt werden, damit beide Tochterzellen vollständige DNA erhalten. Unklar blieb aber, wie die beiden Stränge der Doppelhelix bei der Replikation auf die Tochter-DNA verteilt werden. Die DNA war als Träger der Erbinformation bekannt, doch der Kopiervorgang konnte mit den damaligen Methoden nicht direkt beobachtet werden.
In den 1950er Jahren untersuchten Forschende deshalb die Struktur und Funktion der DNA genauer. Wichtig war die komplementäre Basenpaarung: Adenin passt zu Thymin, Guanin passt zu Cytosin. Daraus entstand die Idee, dass ein alter DNA-Strang als Vorlage für einen neuen, komplementären Strang dienen kann. Offen blieb aber, was mit der ursprünglichen Doppelhelix geschieht.
Es gab mehrere denkbare Replikationsmodelle. Die alte Doppelhelix könnte erhalten bleiben, jede Tochter-DNA könnte aus einem alten und einem neuen Strang bestehen oder alte und neue DNA-Abschnitte könnten vermischt werden. Zur Klärung brauchte man ein Experiment mit messbaren Eigenschaften wie Markierung, Dichte und Generation. Auch Enzyme waren wichtig: Die Replikation ist ein enzymkatalysierter Prozess, bei dem Enzyme den Aufbau neuer DNA-Stränge ermöglichen und beschleunigen.
Experimentelle Idee (Markierung & Dichte)
Die Bakterien wachsen zuerst in einem Medium mit schwerem Stickstoff (¹⁵N). Dadurch wird ihre DNA „schwer“ markiert. Danach werden sie in ein Medium mit leichtem Stickstoff (¹⁴N) übertragen und vermehren sich dort weiter. Ein Isotop wie ¹⁵N oder ¹⁴N ist eine Variante desselben Elements. Die Atome sind etwas schwerer oder leichter, weil sie unterschiedlich viele Neutronen im Kern besitzen. Im Versuch werden die Bakterien alle 20 Minuten zentrifugiert. Diese 20 Minuten entsprechen ungefähr einer Bakteriengeneration.
Prinzip der Dichtegradientenzentrifugation: Bei der Zentrifugation entsteht in einer konzentrierten Salzlösung ein Dichtegradient. DNA-Moleküle wandern darin bis zu der Stelle, an der ihre Auftriebsdichte zur Dichte der Umgebung passt. Schwer markierte DNA (¹⁵N) hat eine höhere Dichte und bildet eine Bande weiter unten. Leichte DNA (¹⁴N) bildet eine Bande weiter oben. Hybrid-DNA mit einem schweren und einem leichten Anteil liegt dazwischen.
Modell 1: Konservativ
Bei der konservativen Replikation bleibt die ursprüngliche Doppelhelix vollständig erhalten. Die beiden alten Stränge bleiben zusammen. Zusätzlich wird eine zweite Doppelhelix aus zwei neuen Strängen gebildet. Nach der Replikation gäbe es also eine komplett alte DNA-Doppelhelix und eine komplett neue DNA-Doppelhelix.
Modell 2: Semikonservativ
Bei der semikonservativen Replikation trennen sich die beiden alten Stränge der Eltern-DNA. Jeder alte Strang dient als Vorlage für einen neuen, komplementären Strang. Jede Tochter-Doppelhelix besteht deshalb aus einem alten und einem neu gebildeten Strang.
Modell 3: Dispersiv
Beim dispersiven Modell werden alte und neue DNA-Abschnitte miteinander vermischt. Es entstehen keine vollständig alten oder vollständig neuen Stränge. Jeder Strang enthält kurze Abschnitte elterlicher DNA und neu synthetisierte Abschnitte. Mit jeder Replikationsrunde wird der Anteil neu gebildeter Abschnitte größer.
Simulation des Meselson–Stahl-Versuchs
Bakterien Drag
¹⁵N-Medium Drop
¹⁴N-Medium Drop
Inkubator Klick
Zentrifuge Klick
