Meselson-Stahl-Experiment

Das Meselson-Stahl-Experiment ist eines der wichtigsten Experimente der Genetik. Bei diesem Experiment wurden Mechanismen der DNA-Replikation beobachtet.
Es kann gut sein, dass du dir dieses Experiment im Biologie-Unterricht mal genauer anschauen wirst. Es kann dir auch helfen, die Zellteilung besser zu verstehen.

Was wurde im Meselson-Stahl-Experiment getestet? Was war das Ergebnis und warum ist es so bedeutend für die Genetik? Experimente sind nicht immer leicht zu verstehen, aber keine Sorge, simpleclub erklärt dir ganz einfach alles, was du darüber wissen musst.

Meselson-Stahl-Experiment einfach erklärt

Die zwei Biologen Matthew Meselson und Franklin Stahl veröffentlichten 1958 das nach ihnen benannte Experiment.

Sie wollten mit ihrem Experiment herausfinden wie die DNA sich vervielfältigt, also wie die Replikation der DNA genau abläuft. Wieso und vor allem wie sich die Mutter-DNA auf die beiden Tochterzellen verteilt, war zum damaligen Zeitpunkt noch völlig unklar. Das wollten sie also herausfinden. Es gab bei ihrem Experiment drei Hypothesen.

Zu den Hypothesen gehörten, die konservative, die seimkonservative und die disperse Replikation.

Meselson und Stahl vermuteten schon eine semikonservative Replikation, das bedeutet, dass jedes Tochtermolekül aus je einem neuen und einem ursprünglichen Strang bestehen. Es heißt also, dass das Erbgut nach der Teilung in beiden Tochterzellen wie folgt ausssieht: Es besteht zur einen Hälfte aus der Erbinformation der Mutterzelle und zur anderen Hälfte wird es neu synthetisiert.

Ihre Vermutung konnten sie dann durch ihr Experiment beweisen.

Meselson-Stahl-Experiment Definition

Meselson-Stahl-Experiment Hypothesen

Vor dem Experiment wurden von Matthew Meselson und Franklin Stahl drei Überlegungen aufgestellt. Es waren Hypothesen wie sich die Mutter-DNA auf die Tochterzellen aufteilen könnte.

Zu diesen drei Hypothesen gehörten:

• Die konservative Replikation
• Die semikonservative Replikation und
• Die disperse Replikation

Konservative Replikation

Bei der konservativen Replikation bleibt die Mutter-DNA in einer der beiden Tochterzelle vollständig erhalten. In der zweiten Tochterzelle befinden sich zwei Kopien der Mutter-DNA-Einzelstränge.

P steht für Parentalgeneration also die Mutterzellen und F für die Tochterzellen, also die erste Tochtergeneration.

Semikonservative Replikation

Bei der Hypothese der semikonservativen Replikation werden die DNA-Stränge sozusagen fair verteilt. Je die Hälfte der Mutter-DNA landet in den beiden neu entstandenen Zellen. Die andere Hälfte wird neu ergänzt.

F2 steht jetzt für die zweite Tochtergeneration.

Disperse Replikation

Disperse Replikation bedeutet zerstreute oder verteilte Replikation.
Hier war die Theorie, dass in jeder Tochterzelle die Hälfte der Mutter-DNA erhalten bleibt, es enthält jedoch jeder Einzelstrang einen Mix aus Mutter- und neu entstandener DNA.

Meselson-Stahl-Experiment Ablauf

Für das Meselson-Stahl-Experiment wurden Stickstoffisotope benutzt. Der Stickstoff (N) ist wichtiger Bestandteil unserer DNA. Das 15N-Isotop ist schwerer als das 14N-Isotop.

Für das Experiment züchteten die Forscher einen Stamm E. coli -Bakterien auf einem Nährmedium, das ausschließlich das 15N-Isotop enthielt. Ein Stamm ist, vereinfacht gesagt, eine Gruppe von Bakterien und das Nährmedium befindet sich in einer eine flache Plastikschale, die meist verschiedene Nährstoffe enthält.
Hier die folgenden Schritte:

1. Die Bakterien wurden also auf das Nährmedium mit dem 15N-Isotop gegeben. Dieser schwere Stickstoff (15N-Isotop) integriert sich dann in die Bakterien-DNA.

• Hier hatte man bei der Untersuchung eine 15N/15N-DNA-Bande

2. Im nächsten Schritt wurden diese Bakterien auf ein Nährmedium mit dem leichteren 14N-Isotop aufgetragen. Nach 20 Minuten wurden diese Bakterien entnommen und untersucht.

• Dazu steckte man die DNA in eine Zentrifuge. Hierbei werden Stoffe durch die Zentrifugalkraft in ihre Bestandteile getrennt.

• Das Ergebnis war folgendes: Die Mutter-DNA besteht aus den schweren 15N-Isotopen und die Tochter-DNA aus den leichteren 14N-Isotopen und den 15N-Isotopen.
  Die Bande der ersten Replikationsrunde zeigte also eine mittelschwere DNA zwischen der 15N-Bande und der 14N-Bande. Somit hatte man hier eine gemischte DNA aus 14N und 15N.

• Es fand also keine Trennung der schweren Mutter-DNA und der leichten Tochter-DNA statt. Die beiden hatten sich verbunden. Die Vorstellung einer konservativen Replikation konnte also ausgeschlossen werden.

3. Es wurde eine weitere Replikationsrunde durchgeführt und die Probe wurde dann wieder zentrifugiert.

• Man konnte nach der zweiten Replikation zwei Banden nachweisen, die schmal waren. Die eine war die Bande einer 14N/14N-DNA und die andere eine 14N/15N-DNA.

Meselson-Stahl-Experiment Ergebnis

Die Hypothese der semikonservativen Replikation wurde durch das Experiment von Meselson und Stahl bestätigt.

Die DNA bestand nach der ersten Replikation aus je einem alten 15N- und einem neuen 14N-Strang. Nach dieser Probe konnte der konservative Replikationsverlauf ausgeschlossen werden. Wenn die Replikation konservativ gewesen wäre, hätten eine 14N/14N-Bande und eine 15N/15N-DNA entstehen müssen.

Es konnte aber noch nicht unterschieden werden, ob die DNA beide Stickstoffisotope (dispersiv) enthielt oder sie auf beide einzelne Stränge verteilt sind.

Somit wurde eine weitere Replikation durchgeführt. Sobald der 15N-Strang als Vorlage diente, entstanden gemischte 15N/14N-DNA-Moleküle. Wenn der neue 14N-Strang die Vorlage war, entstanden 14N/14N-DNA-Moleküle. Beide Banden waren relativ schmal.

Durch die dritte Probe wurde also der dispersive Mechanismus ausgeschlossen. Beim dispersiven Mechanismus wäre nur eine gemischte Bande entstanden.

Meselson und Stahl konnten mit ihrem Experiment also beweisen, dass die DNA der Tochterzellen nach der Zellteilung je einen Strang der Mutter-DNA und einen neuen Strang enthalten. (semikonservative Replikation)

Es wurde klar, dass beide Mutterstränge bei der DNA-Replikation kopiert werden. Anschließend werden sie mit jeweils einem neuen Strang kombiniert.

Meselson-Stahl-Experiment Zusammenfassung

Matthew Meselson und Franklin Stahl untersuchten 1958 wie sich Mutter-DNA bei der Zellteilung auf die Tochterzellen verteilt.
Die beiden stellten drei Hypothesen zu ihrem Experiment auf: die konservative, die semikonservative und die disperse Replikation.

Bei der konservativen Replikation übernimmt eine Tochterzelle die gesamte Mutter-DNA, die andere Tochterzelle bekommt ausschließlich neue DNA.

Bei der semikonservativen Replikation wird die Mutter-DNA so aufgeteilt, dass jede der zwei neu entstandenen Zellen die Hälfte davon erhält und der Rest mit neuer DNA ergänzt wird.

Auch bei der dispersen Replikation erhalten beide Tochterzellen Mutter-DNA, allerdings als Mix mit neuer DNA.

Meselson und Stahl haben E. coli-Bakterien mit schweren Stickstoff-Isotopen versehen. Diese Stickstoff-Isotope wurden in die Bakterienkultur eingebaut.

Die Bakterienkultur mit den schweren Stickstoffisotopen wurden auf eine Fläche mit leichten Isotopen gegeben und haben sich vermehrt. Sie haben die Proben mithilfe von Zentrifugation* untersucht und konnten nach dem ersten Versuch die konservative und nach dem Erhitzen außerdem die disperse Replikation ausschließen.

Die Theorie der semikonservativen Replikation wurde somit bestätigt. Die Mutter-DNA wird bei der Zellteilung also in zwei Stränge geteilt und es bildet sich in der F1-Generation dazu je ein neuer Tochter-Strang.