If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Kurs: Biologia > Rozdział 17

Lekcja 3: Replikacja DNA
Nauki przyrodnicze
Biologia
DNA jako materiał genetyczny
Replikacja DNA
© 2024 Khan AcademyWarunki użytkowaniapolitykę prywatnościInformacja o plikach cookie

Model replikacji DNA: eksperyment Meselsona-Stahla

Google Classroom
Kluczowy historyczny eksperyment, który pokazuje semikonserwatywny mechanizm replikacji DNA. Tłumaczenie na język polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".

Kluczowe punkty:

  • Były trzy modele na to, jak organizmy mogą replikować swoje DNA: semikonserwatywny, konserwatywny i przypadkowy.
  • Semikonserwatywny model, w którym każda nić DNA dostarcza matrycę do stworzenia nowej, komplementarnej nici, wydaje się być najbardziej oparty na strukturze DNA.
  • Modele były sprawdzane przez Meselson'a i Stahl'a, którzy wyznakowali DNA bakterii między pokoleniami wykorzystując izotopy azotu.
  • Korzystając ze wzorów oznaczenia DNA, które widzieli, Meselson i Stahl potwierdzili, że DNA jest replikowane semikonserwatywnie.

Model replikacji DNA

Wyobraź sobie siebie w 1953 roku, po tym jak właśnie została odkryta struktura podwójnej helisy DNA1. Jakie naglące pytania mogłyby być w Twojej głowie i umysłach innych naukowców?
Jedno wielkie pytanie dotyczyło replikacji DNA. Struktura podwójnej helisy DNA dostarczała kuszącej wskazówki o tym, jak może zachodzić kopiowanie1,2. Wydawało się prawdopodobne, że dwie komplementarne nici helisy mogą oddzielać się podczas replikacji, każda służąc jako matryca do utworzenia nowej, pasującej nici.
Ale było to tak w tym przypadku? Uwaga spoiler: Odpowiedź brzmi tak! W tym artykule przyjrzymy się słynnemu eksperymentowi, czasami nazywanemu "najładniejszym eksperymentem w biologii", który ustanowił podstawowy mechanizm replikacji DNA jako semikonserwatywny - to znaczy, że cząsteczki DNA zawierają jedną nową i jedną starą nić3.

Trzy modele replikacji DNA

Były trzy podstawowe modele replikacji DNA, które były zaproponowane przez środowisko naukowe przed odkryciem struktury DNA. Te modele ilustruje poniższy schemat:
Schematyczne przedstawienie modeli replikacji DNA.
  1. Konserwatywny. Replikacja daje jedną helisę zbudowaną w całości ze starego DNA i jedną zbudowaną w całości z nowego DNA.
  2. Semikonserwatywny. Replikacja daje dwie helisy, które zawierają jedną starą i jedną nową nić DNA.
  3. Przypadkowy. Replikacja tworzy dwie helisy, w których pojedyncze nici są zlepkiem starego i nowego DNA.
_Obraz zmieniony za: "Basics of DNA replication: Figure 1," OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)._
  • Replikacja semikonserwatywna. W tym modelu, dwie nici DNA oddzielają się od siebie i każda funkcjonuje jako matryca do syntezy nowej, komplementarnej nici. To skutkuje powstaniem dwóch cząsteczek DNA z jedną oryginalną i drugą nową nicią.
  • Replikacja konserwatywna. W tym modelu, replikacja DNA daje jedną cząsteczkę, która zawiera dwie oryginalne nici (identyczne względem oryginalnej cząsteczki DNA) i drugą cząsteczkę, która składa się z dwóch nowych nici (z dokładnie taką samą sekwencją, jak oryginalna cząsteczka).
  • Replikacja przypadkowa. W modelu przypadkowym, repikacja DNA daje dwie cząsteczki DNA, które są mieszankami, czyli "hybrydami" rodzicielskiego i potomnego DNA. W tym modelu, każda pojedyncza nić jest zlepkiem oryginalnego i nowego DNA.
Większość biologów tamtych czasów postawiłaby pieniądze na model semikonserwatywny. Ten model był sensowny biorąc pod uwagę strukturę podwójnej helisy DNA, w której dwie nici DNA są perfekcyjnie, przewidywalnie komplementarne względem siebie (kiedy jedna ma T, druga ma A; kiedy jedna ma G, druga ma C i tak dalej)2,4. Ten związek pozwolił na wyobrażenie sobie, że każda nić działa jako matryca do syntezy nowego partnera.
Jednakże, biologia jest pełna przykładów, w których “oczywiste“ rozwiązanie okazuje się być tym prawidłowym. (Białka jako materiał genetyczny, ktokolwiek?). Zatem, było kluczowe, żeby eksperymentalnie określić, który model był rzeczywiście wykorzystywany przez komórki, kiedy replikowały swoje DNA.

Meselson i Stahl rozwiązali łamigłówkę

Matt Meselson i Franklin Stahl po raz pierwszy spotkali się w lecie 1954 roku, rok po tym jak Watson i Crick opublikowali swoją pracę na temat struktury DNA. Chociaż dwóch naukowców miało różne zainteresowania naukowe, zostali zaintrygowali przez zagadnienie replikacji DNA i zdecydowali się stworzyć zespół i rozwikłać mechanizm replikacji5.

Eksperyment Meselsona-Stahla

Meselson i Stahl przeprowadzili swoje słynne eksperymenty odnośnie replikacji DNA wykorzystując bakterię E. coli jako organizm modelowy.
Zaczęli od hodowli E. coli w pożywce, czyli bulionie odżywczym, zawierającym "ciężki" izotop azotu, 15N. (Izotop jest rodzajem pierwiastka, który różni się od innych jego rodzajów liczbą neutronów w jądrze.) Kiedy rosły na pożywce zawierającej ciężki 15N, bakterie pobierały azot i wykorzystywały go do syntezy nowych cząsteczek biologicznych, w tym DNA.
Po wielu pokoleniach rosnących w pożywce z 15N, zasady azotowe w DNA bakterii były wszystkie wyznakowane ciężkim 15N. Później, bakterie były przenoszone do pożywki zawierającej "lekki" izotop 14N i pozwalano im na wzrost przez kilka pokoleń. DNA tworzone po zmianie pożywki będzie zawierało 14N, ponieważ będzie to tylko jedyny dostępny azot do syntezy DNA.
Meselson i Stahl wiedzieli jak często dzieliły się komórki E. coli, więc byli w stanie zebrać małe próbki w każdym pokoleniu i wyekstrahować i oczyścić DNA. Później mierzyli gęstość DNA (i pośrednio zawartości 15N i 14N) wykorzystując wirowanie frakcjonujące.
Ta metoda rozdziela cząsteczki takie jak DNA na paski dzięki ich wirowaniu na wysokich obrotach w obecności innej cząsteczki, takiej jak chlorek cezu, która tworzy gradient gęstości od góry do spodu wirowanej probówki. Wirowanie frakcjonujące pozwala na wykrywanie bardzo małych różnic - takich jak między DNA wyznakowanymi 15N i 14N.
Schemat przedstawiający probówkę z CsCl, DNA wyznakowanym azotem 14 i DNA wyznakowanym azotem 15 poddaną wirowaniu na wysokich obrotach. Gęstość pożywki w probówce jest największa na jej spodzie a najmniejsza na szczycie, dzięki utworzeniu gradientu CsCl. DNA wyznakowane azotem 14 tworzy pasek relatywnie blisko szczytu probówki, kiedy DNA wyznakowane azotem 15 tworzy pasek bliżej jej spodu. Pozycje pasków odpowiadają ich względnym gęstościom.
_Obraz zmieniony za "Meselson-Stahl experiment diagram en," Mariana Ruiz Villareal (domena publiczna)._

Wyniki eksperymentu

Kiedy było analizowane DNA z pierwszych czterech pokoleń E. coli, dawało wzór pasków pokazany na poniższej rycinie:
_Obraz zmieniony za: "Basics of DNA replication: Figure 2," OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Oryginalna praca z: "Meselson-Stahl experiment diagram en," Mariana Ruiz Villareal (domena publiczna)._
Co powiedział ten wynik Meselsonowi i Stahlowi? Przeanalizujmy kilka pierwszych pokoleń, które dostarczą kluczowych informacji.

Pokolenie 0

DNA wyizolowane z komórki na początku eksperymentu ("pokolenie 0", tuż po zmianie pożywki na tą zawierającą 14N) dawało pojedynczy pasek (prążek) po wirowaniu. Ten wynik miał sens, ponieważ w tamtym czasie DNA powinno było zawierać tylko ciężki 15N.

Pokolenie 1

DNA wyizolowane po jednym pokoleniu (jedna runda replikacji DNA) także dawało pojedynczy prążek, kiedy było wirowane. Jednakże, ten prążek był wyżej, pośrednio między gęstościami dla ciężkiego 15N w DNA i lekkiego 14N w DNA.
Pośredni prążek powiedział Meselsonowi i Stahlowi, że cząsteczki DNA utworzone w pierwszej rundzie replikacji były hybrydami lekkiego i ciężkiego DNA. Ten wynik pasował do modeli przypadkowego i semikonserwatywnego, ale nie do modelu konserwatywnego.
Model konserwatywny przewidywał dwa odrębne prążki w tym pokoleniu (prążek dla ciężkiej cząsteczki wyjściowej i prążek dla lekkiej, nowo utworzonej cząsteczki).

Pokolenie 2

Informacja z drugiego pokolenia pozwoliła Meselsonowi i Stahlowi określić, który z pozostałych modeli (semikonserwatywny czy przypadkowy) był rzeczywiście prawidłowy.
Kiedy DNA z drugiego pokolenia było wirowane, dawało dwa prążki. Jeden był w tym samym miejscu, co prążek pośredni z pierwszego pokolenia, kiedy drugi prążek był wyżej (okazał się być tylko znakowany 14N).
Ten wynik powiedział Meselsonowi i Stahlowi, że DNA było replikowane semikonserwatywnie. Wzór dwóch odrębnych prążków - jednego w pozycji cząsteczki hybrydowej i jednego w pozycji cząsteczki lekkiej - jest tym, którego byśmy się spodziewali dla replikacji semikonserwatywnej (jak przedstawiono na poniższym schemacie). W przeciwieństwie, w modelu przypadkowym, wszystkie cząsteczki powinny mieć części starego i nowego DNA, powodując, że niemożliwe byłoby otrzymanie "czysto lekkiej" cząsteczki.
Schemat przedstawiający eksperyment Meselsona i Stahla. Całe DNA jest początkowo wyznakowane azotem 15. Próbka DNA jest pobierana przed dodawaniem bakterii do pożywki zawierającej azot 14, i kiedy jest wirowana w gradiencie CsCl, DNA tworzy pojedynczy prążek niżej w probówce (wskazujący DNA znakowane w całości azotem 15). Ten jest oznaczony jako "pokolenie 0".
Bakterie następnie są dodawane do pożywki zawierającej azot 14 i dzielą się do czwartego pokolenia. W każdym pokoleniu (któremu wystarczy około 20 minut na wzrost), próbka DNA jest pobierana i analizowana przez wirowanie w gradiencie CsCl.
  • Pokolenie 0 (patrz powyżej). 100% DNA jest w prążku z azotem 15.
  • Pokolenie 1. 100% DNA w prążku pośrednim między wysokościami prążków azotu 14 i azotu 15.
  • Pokolenie 2. 50% DNA w prążku pośrednim między wysokościami prążków azotu 14 i azotu 15. 50% DNA w prążku z azotem 14.
  • Pokolenie 3. 25% DNA w prążku pośrednim między wysokościami prążków azotu 14 i azotu 15. 75% DNA w prążku z azotem 14.
  • Pokolenie 4. 12% DNA w prążku pośrednim między wysokościami prążków azotu 14 i azotu 15. 88% DNA w prążku z azotem 14.
Prawy panel ryciny jest komiksem ilustrującym to jak, te wyniki mogą być wyjaśnione przez model semikonserwatywny. Początkowa podwójna helisa jest w pełni znakowana azotem 15 (pokolenie 0). Replikacja tej helisy daje dwie helisy, które zawierają jedną nić z azotem 15 (starym) i jedną nić z azotem 14 (nowym) (pokolenie 1.). Replikacja tych dwóch helis daje cztery helisy, z których dwie są także hybrydami azot 14/azot 15 i dwie zawierają tylko azot 14 (pokolenie 2). Replikacja helis z pokolenia 2 daje osiem helis, dwie z nich są hybrydami azot 15/azot 14 i sześć zawiera tylko azot 14 (pokolenie 3). Replikacja helis pokolenia 3 daje szesnaście helis, dwie z nich jest hybrydami azot 15/azot 14 i czternaście z nich zbudowana jest wyłącznie z azotu 14 (pokolenie 4).
_Obraz zmieniony za: "Basics of DNA replication: Figure 2," OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Oryginalna praca z: "Meselson-Stahl experiment diagram en," Mariana Ruiz Villareal (domena publiczna)._

Pokolenie 3 i 4

W modelu semikonserwatywnym, spodziewamy się, że każda hybryda cząsteczki DNA z drugiego pokolenia, da początek cząsteczce hybrydowej i lekkiej w trzecim pokoleniu, kiedy każda lekka cząsteczka DNA da więcej lekkich cząsteczek.
Zatem po trzecim i czwartym pokoleniu, spodziewamy się, że prążek hybrydowy będzie coraz słabszy (ponieważ będzie odpowiadał mniejszej części całkowitego DNA) i lekki prążek będzie odpowiednio silniejszy (ponieważ będzie reprezentował większą część).
Jak widzimy na rysunku, Meselson i Stahl widzieli tylko ten wzór w swoich wynikach, co potwierdzało semikonserwatywny model replikacji.

Podsumowanie

Eksperyment wykonany przez Meselsona i Stahla pokazał, że DNA replikuje się semikonserwatywnie, co znaczy, że każdy łańcuch w DNA służy jako matryca do syntezy nowej, komplementarnej nici.
Chociaż Meselson i Stahl wykonywali swoje eksperymenty w bakterii E. coli, wiemy dzisiaj, że replikacja semikonserwatywna DNA jest uniwersalnym mechanizmem wśród wszystkich organizmów na ziemskiej planecie. Niektóre z Twoich komórek replikują Twój DNA semikonserwatywnie właśnie w tej chwili!

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się
Na razie brak głosów w dyskusji
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.