メセルソン・スタール実験

メセルソン・スタールの実験は、 1958年にマシュー・メセルソンとフランクリン・スタールが行った実験であり、 DNA複製は半保存的であるというワトソンとクリックの仮説を裏付けるものであった。半保存的複製では、二本鎖DNAらせんが複製される際、2つの新しい二本鎖DNAらせんはそれぞれ、元のらせんの1本の鎖と新たに合成された1本の鎖から構成される。これは「生物学で最も美しい実験」と呼ばれている。^[1]メセルソンとスタールは、親DNAを追跡する最良の方法は、その原子の1つを変更してDNAにタグを付けることであると判断した。窒素はDNA塩基のすべてに存在するため、彼らは自然に存在するよりも重い窒素同位体を含む親DNAを生成した。この変更された質量により、彼らは連続した複製サイクル後にDNAに親DNAがどれだけ存在するかを判定することができた。

DNA の複製方法については、これまで 3 つの仮説が提唱されていました。

ワトソンとクリックによって提唱された半保存的仮説では、DNA分子の2本の鎖は複製中に分離します。その後、各鎖は新しい鎖の合成のためのテンプレートとして機能します。^[2]

保守的な仮説では、DNA分子全体がまったく新しい分子の合成のためのテンプレートとして機能すると提唱された。このモデルによれば、ヒストンタンパク質がDNAに結合し、鎖を回転させて、通常は内部に並んでいるヌクレオチド塩基を露出させて水素結合を形成する。^[3]

分散仮説はマックス・デルブリュックが提唱したモデルに例示されており、これはDNA骨格を10ヌクレオチドごとに切断し、分子をほどき、古い鎖を新しく合成された鎖の端に取り付けるメカニズムによって二重らせんの2本の鎖をほどく問題を解決しようとするものである。これにより、DNAは1本の鎖から他の鎖へと交互に短い断片で合成されることになる。^[4]

これら 3 つのモデルはそれぞれ、複製後に形成された分子内の「古い」DNA の分布について異なる予測を立てます。保守的仮説では、複製後、1 つの分子は完全に保存された「古い」分子であり、もう 1 つの分子はすべて新しく合成された DNA です。半保守的仮説では、複製後の各分子には 1 つの古い鎖と 1 つの新しい鎖が含まれると予測されます。分散モデルでは、各新しい分子の各鎖には古い DNA と新しい DNA の混合物が含まれると予測されます。^[5]

窒素は DNA の主成分です。14 N は窒素の同位体として圧倒的に最も多く存在しますが、より重い (ただし非放射性) 15 N 同位体を持つ DNA^も機能します。

大腸菌は、 ^{15 N を含む NH} ₄ Cl を含む培地で数世代にわたって増殖しました。塩 ( CsCl ) 密度勾配で浮遊密度遠心分離を行うと、DNA は密度が塩溶液の密度に等しくなった時点で分離します。15 N 培地で増殖した細胞の DNA は、^通常の14 N 培地で増殖した細胞よりも密度が高かったです。その後、 ^{DNA に15} Nのみを含む大腸菌細胞を¹⁴ N 培地に移し、分裂させました。細胞分裂の進行は、顕微鏡による細胞数とコロニーアッセイによって監視しました。

DNA は定期的に抽出され、純粋な¹⁴ N DNA および¹⁵ N DNA と比較されました。1 回の複製後、DNA は中間密度であることがわかりました。保守的な複製では高密度と低密度の DNA が同量生成されますが (中間密度の DNA は生成されません)、保守的な複製は除外されました。ただし、この結果は半保守的複製と分散的複製の両方と一致していました。半保守的複製では、1 本の鎖が¹⁵ N DNA、もう 1 本の鎖が¹⁴ N DNA の 2 本鎖 DNA が生成されますが、分散的複製では、どちらの鎖も¹⁵ N DNA と¹⁴ N DNA の混合物を含む 2 本鎖 DNA が生成され、どちらも中間密度の DNA として現れます。

著者らは複製が続く間も細胞を採取し続けた。2回の複製が完了した後の細胞からのDNAは、2つの異なる密度を持つ同量のDNAで構成されていることがわかった。1つは14N培地で1回だけ増殖した細胞のDNAの中間密度に対応し^{、もう1つは14N}培地のみで増殖した細胞のDNAに対応する。これは分散複製とは矛盾しており、分散複製では単一の密度となり、1世代の細胞の中間密度よりは低くなるが、元の15N DNAがすべてのDNA鎖に均等に分割されるため、14N DNA培地^のみで増殖した細胞よりは高い。結果は半保存的複製仮説と一致した。^[6]

• ホームズ、フレデリック・ローレンス (2001)。メセルソン、スタール、そして DNA の複製:「生物学における最も美しい実験」の歴史。コネチカット州ニューヘブン: イェール大学出版局。ISBN 978-0-300-08540-2。

• マシュー・メセルソンのショートトーク：「DNA の半保存的複製」
• DNA の始まり 実験を説明するアニメーション。
• メセルソン・スタール実験 もう一つの便利なアニメーション。
• メセルソンとスタールの実験英語アニメーション
• Nathan H. Lentsによる Meselson-Stahl 実験の説明(Visionlearning からのオリジナルデータを含む)