Genetik
DNA (Desoxyribonukleinsäure)
 – Video

Durch das Meselson-Stahl-Experiment konnten Wissenschaftler zeigen, wie die  Verdopplung unserer DNA abläuft. In diesem Beitrag erklären wir dir, wie sie das beweisen konnten. Hier gelangst du direkt zu unserem Video !

Meselson-Stahl-Experiment einfach erklärt

In deinen Zelle befindet sich das Erbgut, also die DNA. Bei der Vermehrung der Zellen muss auch die DNA verdoppelt werden. Dazu wird der DNA-Doppelstrang aufgetrennt und von beiden Einzelsträngen eine identische Kopie erstellt. Den Vorgang nennst du Replikation. 

Die amerikanischen Wissenschaftler Meselson und Stahl konnten im Jahr 1958 mit dem nach ihnen benannten Meselson-Stahl-Experiment zeigen, wie die Replikation der DNA abläuft. Sie konnten beweisen, dass es sich dabei um eine semikonservative (halbbewahrende) Replikation handelt. 

Bis dahin wurden drei verschiedene Mechanismen der DNA Verdopplung diskutiert – die konservative, die semikonservative und die dispersive Replikation.

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Semikonservative Replikation

Was ist die semikonservative Replikation?

Heute wissen wir also, dass die Verdopplung unserer Erbinformation semikonservativ (= halbbewahrend) abläuft. Das bedeutet: 

  • semikonservative Replikation: Jede der beiden Tochterzellen erhält einen DNA-Doppelstrang mit einem Mutterstrang und einem neu hergestellten Strang. 

Doch zunächst waren sich die Wissenschaftler nur einig darüber, dass bei der Replikation das Erbgut unter Vorlage des Doppelstrangs sozusagen kopiert wird. 

Daher waren noch zwei andere Möglichkeiten denkbar, wie das ablaufen könnte: 

  • konservative Replikation: Eine der Tochterzellen erhält einen Doppelstrang aus beiden Muttersträngen, während die andere ein DNA-Molekül aus zwei neu hergestellten Strängen bekommt. 
  • dispersive Replikation: In beiden Tochterzellen setzt sich das Erbgut aus einer Mischung aus neuen und alten Strängen zusammen. 

Dank des Meselson-Stahl-Experiments konnten die beiden Theorien aber widerlegt werden.

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Mögliche DNA- Replikationsmechanismen

Meselson-Stahl-Experiment Ziel

Um dem Ablauf der identischen Replikation auf die Spur zu kommen, führten Matthew Meselson und Franklin Stahl ein Experiment mit Bakterienzellen durch. Damit wollten sie beweisen, dass die Vervielfältigung unserer genetischen Information einer semikonservativen Replikation entspricht. 

Meselson-Stahl-Experiment Ablauf

Für ihr Experiment nutzten die beiden mehrere Generationen von Escherichia coli Bakterien (E. coli), die sie auf einem Nährmedium züchteten. 

Außerdem verwendeten sie die Methode der Isotopenmarkierung, um festzustellen, welche DNA-Bausteine die Bakterien jeweils verwendeten. Dazu setzten sie Stickstoffisotope, also Stickstoffmoleküle mit unterschiedlicher Massenzahl , an. Am häufigsten kommt das Element Stickstoff (N) mit einer Masse von 14 u (14N) vor. Es enthält 7 Protonen (positiv geladene Teilchen) und 7 Neutronen (nicht geladene Teilchen) in seinem Kern. Es gibt aber auch Stickstoffisotope, die 8 Neutronen im Kern haben (15N) und daher schwerer sind. 

Da es für die Bakterien keinen Unterschied macht, welche Art von Stickstoff sie bekommen, fütterten Meselson und Stahl die Bakterien mit 15N-haltigen Nährstoffen. Das führt dazu, dass E. coli die schwereren Moleküle in seine DNA einbauen, die dadurch an Gewicht zunimmt. 

Dann tauschten die Wissenschaftler das Nährmedium gegen eines mit „normalem“ 14N-Stickstoff aus, in dem sich die Bakterien vermehren sollten. Sie warteten ungefähr 40 Minuten, bis sich die Bakterien zweimal vermehrt hatten. 

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Meselson Stahl Experiment Ablauf

Nach jeder Runde entnahmen sie DNA-Proben aus den Bakterienkulturen. Mithilfe einer Dichtegradientenzentrifugation sortierten sie die DNA-Moleküle dann nach ihrem Gewicht. Darunter verstehst du ein Trennverfahren, bei dem sich verschieden schwere Teilchen bei schnellem Drehen in unterschiedlicher Geschwindigkeit ablagern. 

Meselson-Stahl-Experiment Erkenntnisse

Die Auftrennung der DNA-Stränge lieferte den Wissenschaftlern verschiedene Banden, die sie dem Gewicht zuordnen konnten.

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Meselson Stahl Ergebnisse

So war es ihnen möglich, die entscheidenden Beobachtungen zu machen: 

  • Die erste Probe zeigt nur eine Bande, die 15N/15N-DNA entspricht. Das bedeutet, dass beide Stränge der Doppelhelix das schwere Isotop eingelagert haben. 
  • Die zweite Probe, nach der ersten Vermehrung, zeigt eine Bande, die einer 50%-Mischung aus 15N- und 14N-Isotopen liegt. 
    Das schließt eine konservative Replikation aus. Dann hätten sich nämlich zwei Banden (bei 14N und 15N) bilden müssen. Denn würden sich die neuen und alten Stränge nicht mischen, würde die Elterngeneration nur 15N und die Tochtergeneration nur 14N enthalten. 

Daher blieb nur noch zu klären, ob die verschiedenen Isotope auf beiden Strängen verteilt (dispersiv) oder jeweils nur auf einem Strang (semi-konservativ) zu finden waren. 

  • Die dritte Probe aus der 2. Tochtergeneration zeigte zwei Banden:  eine bei 14N und eine, die der Mischung aus 14N und 15N entspricht.
    Das schließt eine dispersive Replikation aus. Denn dann hätte sich nach gleichem Einbau beider Isotope nur eine  Bande einer Mischung bilden dürfen.

Das Meselson und Stahl Experiment zeigte, dass der Mechanismus einer semikonservativen Replikation entsprechen muss. Denn:

  1. Nach der ersten Replikation entstehen DNA-Stränge mit einem 15N-Mutterstrang und einer 14N-Kopie. Das liegt daran, dass im 14N-Medium nur noch 14N-Isotope eingebaut werden können.
  2. Die dritte Probe zeigt, dass unter Vorlage eines 15N-Strangs ein 14N-15N-Doppelstrang entsteht. Dagegen entwickelt sich unter Vorlage eines 14N-Strangs ein Doppelstrang, der nur aus 14N-Molekülen besteht.

Replikation

Das bedeutet also, dass bei der DNA-Replikation beide Elternstränge kopiert werden und mit den neuen Strängen kombiniert werden. Da die DNA eine Doppelhelix-Struktur (spiralförmig) hat, muss sie zunächst aufgewunden werden. Das übernimmt das Enzym Helikase.  

Dann bildet sich eine sogenannte Replikationsgabel, an der beide Stränge repliziert werden können. Dazu hängt das Enzym DNA-Polymerase einen DNA-Baustein (Nukleotid ) nach dem anderen an. Aber woher weiß sie überhaupt, welches jeweils das richtige Nukleotid ist? Schau dir unser Video zur Replikation an und finde es heraus!

Zum Video: DNA Replikation
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