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Meselson Stahl Experiment

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Biologie

Die Replikation der DNA ist ein wichtiger Prozess für die Weitergabe der Erbinformation oder Vermehrung von Zellen. Mit dem Meselson und Stahl Experiment konnte festgestellt werden, dass es sich dabei um eine semikonservative Replikation handelt.


Dieser Artikel gehört zum Fach Biologie und erweitert das Thema Molekulargenetik im Bereich der DNA Replikation.


  • Du lernst...
  • ...was das Meselson und Stahl Experiment ist, vor welchem Hintergrund es entstand und wer daran beteiligt war.
  • ...welche Hypothesen man vor der Durchführung aufgestellt hatte und welche davon man zu beweisen versuchte.
  • ...wie das Experiment in seinen einzelnen Schritten ablief, wie man die Ergebnisse auswertete und was damit bewiesen werden konnte.


Was ist das Meselson und Stahl Experiment? 


Die beiden Wissenschaftler Matthew Meselson und Frankling William Stahl wollten in den Fünfzigern dem genauen Ablauf der Replikation der DNA auf die Spur gehen. James D. Watson und Francis C. Crick, welche ebenfalls die DNA-Doppel-Helix-Struktur erforschten und wichtige Erkenntnisse hervorbrachten, vermuteten bereits, dass die komplementären Basenpaare für die Replikation von hoher Bedeutung wären. Dies konnten sie allerdings noch nicht beweisen. Mithilfe des Meselson und Stahl Experiments konnte endlich das Mysterium um den Mechanismus der Replikation der DNA gelüftet werden.


Falls du genaueres über den Ablauf der DNA Replikation erfahren möchtest, lies doch gerne den Artikel dazu. Ansonsten hier eine kurze Zusammenfassung:


  • Die beiden Einzelstränge der DNA werden mithilfe des Enzyms Helicase voneinander getrennt.
  • Am Leitstrang verknüpft die DNA-Polymerase die Basen mit ihrem komplementären Gegenstück, um so den neuen Einzelstrang zu synthetisieren.
  • Am Folgestrang verknüpft die Ligase die Okazaki-Fragmente mit den Basen.
  • So entstehen zwei DNA-Stränge, die beide jeweils aus einem alten und einem neuen Einzelstrang bestehen.



Wie war der Ablauf des Meselson und Stahl Experiments? 


Ziel und Hypothesen


Ziel des Experimentes war es zu beweisen, dass es sich bei der DNA Replikation des Menschen um eine semikonservative Replikation handeln musste. Diese Vermutung lag sowohl Watson und Crick als auch Meselson und Stahl nah, auch wenn drei verschiedene Theorien zunächst denkbar waren:


  • Semikonservative Replikation: Der neue Doppelstrang besteht aus einem ursprünglichen und einem neu synthetisierten Einzelstrang.
  • Konservative Replikation: Der neue Doppelstrang besteht aus zwei neu synthetisierten Einzelsträngen.
  • Dispersive Replikation: Der neue Doppelstrang besteht aus einer Mischung des ursprünglichen und neu synthetisierten Einzelstrangs.



                                   


Abbildung 1: Darstellung der Hypothesen der DNA Replikation; Quelle via lernhelfer.de


Durchführung


Für das Experiment wurden E. coli Bakterien verwendet. die verschiedenen Nährböden ausgesetzt wurden. Auf diesen sollten mehrere Generationen gezüchtet werden, von denen dann Proben entnommen wurden.


Normalerweise hat Stickstoff (N) eine Masse von 14 u (wird also als 14N bezeichnet). Allerdings gibt es auch Stickstoffisotope, welche als 15N bezeichnet werden und damit eine größere Masse als 14N-Stickstoff besitzt, aber sich sonst chemisch nicht unterscheidet. Dies wird bei der Auswertung noch entscheidend. 


Der erste Nährboden, auf dem die Bakterien ausgesetzt wurden, enthielt Nährstoffe mit 15N-Stickstoff. E. coli nimmt also die Moleküle auf und baut sie in seine DNA ein, was dazu führt, dass sie schwerer wird. 


Dann zogen die Bakterien auf einen zweiten Nährboden um. Diesmal enthält er Nährstoffe mit normalem N14-Stickstoff. Nach 20 Minuten entnahmen die Wissenschaftler eine Probe, da die Bakterien sich vermehrt hatten. Nach erneuten zwanzig Minuten wurde eine weitere Probe einer neuen Generation entnommen.


Ergebnis


Um das Experiment auszuwerten, bedienten sich Meselson und Stahl an der sogenannten Dichtegradientenzentrifugation. Dadurch werden DNA-Moleküle nach ihrem Gewicht geordnet.



                                   

Abbildung 2: Darstellung der Ergebnisse des Meselson und Stahl Experiments; Quelle via spektrum.de 


Auf der Abbildung kannst du verschiedenen Banden erkennen, die das Gewicht der DNA Moleküle darstellen. Bei der ersten Probe ist zu sehen, dass es nur die Bande 15N/15N-DNA gibt. Das bedeutet, dass beide Stränge der Doppelhelix das schwere Stickstoffisotop 15N aufgenommen haben.


Bei der zweiten Probe befindet sich die einzige Bande zwischen 14N und 15N. Das bedeutet, dass die DNA sowohl 14N und 15N enthält, da das Gewicht zwischen beiden liegt. Damit konnte bereits die Theorie der konservativen Replikation widerlegt werden. Dazu hätten sich eine 14N und eine 15N Bande bilden müssen, da sich neue und alte Stränge nicht mischen, sondern entweder als Tochtergeneration 14N oder als Elterngeneration 15N enthalten würden. Somit blieben noch die Theorien der semikonservativen und der dispersiven Replikation übrig.


Mithilfe der dritten Probe konnte auch die dispersive Replikation widerlegt werden. Es entstanden nämlich zwei Banden: Eine mittelschwere zwischen 14N und 15N wie bei der vorherigen Generation, sowie eine leichte 14N/14N-DNA-Bande. Dies beweist, dass es sich um die semikonservative Replikation handeln muss. Denn würde die DNA Replikation dispersiv ablaufen, hätte sich erneut nur eine Bande zwischen 14N und 15N bilden müssen.


Betrachten wir mit diesem Wissen den Ablauf des Experimentes noch einmal:


  1. Bakterien nehmen 15N in ihre DNA auf und werden dann in den anderen Nährboden versetzt.
  2. Bei der ersten Replikation wird die 15N-DNA als Mutterstrang verwendet. Da aber im Nährboden kein 15N, sondern 14N vorhanden ist, wird die Kopie zu beiden Muttersträngen mit 14N hergestellt. Somit haben wir nach der Replikation DNA mit einem Strang, der 15N enthält, während im anderen 14N eingebaut ist.
  3. Bei der zweiten Replikation haben wir dementsprechend einen Mutterstrang mit 15N und einen mit 14N. Da noch immer nur 14N im Nährboden vorhanden ist, werden die Kopien erneut mit 14N entwickelt. Zum Schluss haben wir also nach der zweiten Replikation zwei Arten von DNA: Einer enthält immer noch die Mischform 15N/14N, der andere besteht aus 14N/14N.



Meselson und Stahl Experiment - Das Wichtigste auf einem Blick


  • Das Meselson und Stahl Experiment beweist, dass es sich bei dem Mechanismus bei der Replikation der DNA um eine semikonservative Replikation handelt.
  • Semikonservative Replikation bedeutet, dass der neue Doppelstrang nach der Replikation aus einem ursprünglichen und einem neu synthetisierten Einzelstrang besteht.
  • Vor dem Experiment gab es drei Theorien zur Replikation der DNA: es musste sich um eine semikonservative, konservative oder dispersive Replikation handeln.
  • Für das Experiment wurden Bakterien mit unterschiedlich schweren Stickstoffmolekülen ernährt und mehrere Generationen gezüchtet.
  • Durch das Gewicht der DNA aufgrund der verschiedenen Stickstoffmoleküle konnte bewiesen werden, dass die Replikation der DNA semikonservativ abläuft.



FERTIG!

Jetzt weißt du alles Wichtige über das Meselson und Stahl Experiment. Es gibt aber noch viel mehr über die DNA zu erfahren! Wenn du mehr wissen möchtest, schau dich doch nochmal auf StudySmarter bei den anderen Artikeln zum Thema um. 


Viel Erfolg beim Lernen!

Finales Meselson Stahl Experiment Quiz

Frage

Was war das Ziel des Meselson und Stahl Experiments?

Antwort anzeigen

Antwort

Ziel des Experimentes war es zu beweisen, dass es sich bei der DNA Replikation des Menschen um eine semikonservative Replikation handeln musste.

Frage anzeigen

Frage

Welche drei Theorien wurden zum Mechanismus der DNA Replikation aufgestellt?

Antwort anzeigen

Antwort

Es gab drei Vermutungen: es musste sich um eine semikonservative, konservative oder dispersive Replikation handeln.

Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet semikonservative Replikation?

Antwort anzeigen

Antwort

Der neue Doppelstrang besteht aus einem ursprünglichen und einem neu synthetisierten Einzelstrang.

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Frage

Was bedeutet konservative Replikation?

Antwort anzeigen

Antwort

Der neue Doppelstrang besteht aus zwei neu synthetisierten Einzelsträngen.

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Frage

Was bedeutet dispersive Replikation?

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Antwort

Der neue Doppelstrang besteht aus einer Mischung des ursprünglichen und neu synthetisierten Einzelstrangs.

Frage anzeigen

Frage

Welche beiden Moleküle wurden bei dem Experiment benutzt und warum?

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Antwort

Es wurden Stickstoffmoleküle mit unterschiedlichen Massen verwendet, 14N und 15N. Dadurch konnten später verschiedene Gewichte der Stränge festgestellt werden.

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Frage

Mit welchen Organismen wurde das Experiment ausgeführt?

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Antwort

Für das Experiment wurden E. coli Bakterien verwendet.

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Frage

Wie war der Ablauf des Experiments (ohne Auswertung)?

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Antwort

Der erste Nährboden, auf dem die Bakterien ausgesetzt wurden, enthielt Nährstoffe mit 15N-Stickstoff. E. coli nimmt also die Moleküle auf und baut sie in seine DNA ein, was dazu führt, dass sie schwerer wird. 

Dann zogen die Bakterien auf einen zweiten Nährboden um. Diesmal enthält er Nährstoffe mit normalem N14-Stickstoff. Nach 20 Minuten entnahmen die Wissenschaftler eine Probe, da die Bakterien sich vermehrt hatten. Nach erneuten zwanzig Minuten wurde eine weitere Probe einer neuen Generation entnommen. 

Frage anzeigen

Frage

Mit welcher Technik wurde das Experiment ausgewertet?

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Antwort

Um das Experiment auszuwerten, bedienten sich Meselson und Stahl an der sogenannten Dichtegradientenzentrifugation. Dadurch werden DNA-Moleküle nach ihrem Gewicht geordnet.

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Frage

Was war das Ergebnis der ersten Probe?

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Antwort

Bei der ersten Probe wurde festgestellt, dass es nur die Bande 15N/15N-DNA gibt. Das bedeutet, dass beide Stränge der Doppelhelix das schwere Stickstoffisotop 15N aufgenommen haben.

Frage anzeigen

Frage

Was war das Ergebnis der zweiten Probe?

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Antwort

Bei der zweiten Probe befindet sich die einzige Bande zwischen 14N und 15N. Das bedeutet, dass die DNA sowohl 14N und 15N enthält, da das Gewicht zwischen beiden liegt.

Frage anzeigen

Frage

Welche Theorie wurde durch das Ergebnis der zweiten Probe widerlegt und warum?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der zweiten Probe befindet sich die einzige Bande zwischen 14N und 15N. Das bedeutet, dass die DNA sowohl 14N und 15N enthält, da das Gewicht zwischen beiden liegt. 

Damit konnte bereits die Theorie der konservativen Replikation widerlegt werden. Dazu hätten sich eine 14N und eine 15N Bande bilden müssen, da sich neue und alte Stränge nicht mischen, sondern entweder als Tochtergeneration 14N oder als Elterngeneration 15N enthälten würden.

Frage anzeigen

Frage

Was war das Ergebnis der dritten Probe?

Antwort anzeigen

Antwort

Es entstanden zwei Banden: Eine mittelschwere zwischen 14N und 15N wie bei der vorherigen Generation, sowie eine leichte 14N/14N-DNA-Bande.

Frage anzeigen

Frage

Welche Theorie wurde durch das Ergebnis der dritten Probe widerlegt und warum?

Antwort anzeigen

Antwort

Mithilfe der dritten Probe konnte die dispersive Replikation widerlegt werden. Es entstanden nämlich zwei Banden: Eine mittelschwere zwischen 14N und 15N wie bei der vorherigen Generation, sowie eine leichte 14N/14N-DNA-Bande. Würde die DNA Replikation dispersiv ablaufen, hätte sich erneut nur eine Bande zwischen 14N und 15N bilden müssen.

Frage anzeigen

Frage

Welche beiden Wissenschaftler legten bereits wichtige Grundzüge zum Aufbau der DNA da, welche Meselson und Stahl mithilfe ihres Experiments erweiterten?

Antwort anzeigen

Antwort

James D. Watson und Francis C. Crick erforschten ebenfalls die DNA-Doppel-Helix-Struktur und brachten wichtige Erkenntnisse hervor. Sie vermuteten bereits, dass die komplementären Baarenpaare für die Replikation von hoher Bedeutung wären. Meselson und Stahl lieferten dann mit ihrem Experiment den Beweis.

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