5.2: DNA jako matryca genetyczna

Dwie cechy strukturalne cząsteczki DNA stanowią podstawę mechanizmów dziedziczności: cztery zasady nukleotydowe i jej dwuniciowy charakter. Model struktury podwójnej helisy DNA Watsona-Cricka, zaproponowany w 1952 roku, opierał się w dużej mierze na pracach krystalografii rentgenowskiej badaczy Rosalind Franklin i Maurice’a Wilkinsa. Watson, Crick i Wilkins otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za swoją pracę w 1962 roku. Franklin został, co kontrowersyjne, wykluczony z nagrody z powodów, które wciąż są przedmiotem dyskusji.

Model DNA Watsona-Cricka, w bardzo prosty sposób, sugerował, że DNA składa się z dwóch nici nukleotydów, które skręcają się wokół siebie, tworząc prawoskrętną helisę, i że parowanie nukleotydów odbywa się między puryną a pirymidyną.

Dwie nici DNA są antyrównoległe, co oznacza, że koniec 3′ jednej nici jest skierowany w stronę końca 5′ drugiej. Dzięki temu każda nić może działać jako matryca dla swojego partnera podczas replikacji DNA, wytwarzając dwie nowe nici DNA, które są dokładnie komplementarne względem siebie. Jednak to, czy replikacja DNA zachodziła w ten sposób, nie było jasne.

Eksperyment Meselsona i Stahla

Meselson i Stahl hodowali E. coli przez kilka pokoleń w pożywce zawierającej “ciężki” izotop azotu, ¹⁵N. Z biegiem czasu ciężki azot został włączony do azotowych zasad nukleotydowych, a tym samym do DNA. Następnie E. coli umieszczono w pożywce zawierającej inny izotop azotu, ¹⁴N, i hodowano przez kilka kolejnych pokoleń. Po każdym pokoleniu z niektórych komórek izolowano próbkę DNA, ładowano ją do gradientu i odwirowywano z dużą prędkością. W gradiencie DNA oddzieli się zgodnie z jego gęstością wyporu (tj. gęstością w gradiencie, w którym DNA będzie unosić się na wodzie).

W pożywce ¹⁵N zaobserwowano pojedyncze pasmo o dużej gęstości w dolnej części probówki wirówkowej. Natychmiast po przeniesieniu bakterii na “lżejsze” podłoże, to pojedyncze pasmo przesunęło się w górę kolumny, wskazując na mniejszą gęstość. Jednak kolejne generacje dały w wyniku powstawanie dwóch pasm: jednego odpowiadającego gęstości ¹⁴N, a drugiego w położeniu pośrednim. Wynik ten można było wytłumaczyć jedynie półkonserwatywnym trybem replikacji, potwierdzając w ten sposób model Watsona-Cricka.