En 1958 todavía se especulaba sobre el material hereditario y la estructura del DNA. Los científicos sabían que el DNA existía pero no sabían cómo se replicaba. Se me ocurrieron tres posibilidades diferentes: modelos conservadores, semiconservadores y dispersivos. El modelo conservador postuló que el proceso de replicación creó una molécula de DNA completamente nueva y que la molécula plantilla permaneció igual. El modelo semiconservador postuló que el modelo plantilla se dividía en dos hebras y cada hebra replicaba su hebra complementaria, creando 2 moléculas de DNA con una hebra recién sintetizada y una hebra vieja. El modelo dispersivo postuló que las partes recién sintetizadas se combinan con el DNA molde, creando 2 moléculas de DNA idénticas con oligonucleótidos recién sintetizados y con oligonucleótidos más antiguos (Figura 1).
Figura 1: Modelos conservadores, semiconservadores y dispersivos postulados para el mecanismo de replicación del DNA.
Meselson y Stahl diseñaron un experimento utilizando los radioisótopos del nitrógeno para determinar cuál de estos modelos es el correcto. Utilizaron nitrógeno pesado (N15) y ligero (N14), que se encuentra en los nucleótidos que forman el DNA. Su objetivo era diferenciar muestras de DNA según el peso o la posición en un gradiente de densidad. La centrífuga de gradiente de densidad fue una técnica desarrollada por el propio Meselson. Cuando se centrifuga, el contenido de una muestra se mueve hacia el fondo según su densidad. Las moléculas más densas migran más que las moléculas con densidades más pequeñas. Dentro de la solución en gradiente, cada molécula alcanza un equilibrio en el que no migran más. Comparando la ubicación de las moléculas de DNA con nitrógeno pesado (N15) y ligero (N14), es posible descubrir qué modelo de replicación de DNA es correcto.
Meselson y Stahl cultivaron Escherichia coli en medios que solo contienen nitrógeno pesado (N15). Después de algunas generaciones, todas las moléculas de DNA tendrían nucleótidos que poseen nitrógeno pesado (N15). Luego subcultivaron la misma E. coli en medios que solo tenían nitrógeno ligero (N15). Esto les permitió diferenciar entre las cadenas de DNA parental e hija, ya que el DNA parental poseería nitrógeno pesado (N15), mientras que el DNA hijo poseería nitrógeno ligero (N14). La cantidad de bandas en diferentes generaciones (Figura 2) y la presencia de nitrógeno mitad pesado (N15) mitad nitrógeno ligero (N14) seguido de una disminución en las bandas de nitrógeno pesado (N15) caracterizaron el modelo de replicación de DNA semiconservador postulado.
Figura 2: Representación esquemática del experimento de Meselson-Stahl.
Este experimento también fue consistente con los últimos hallazgos de Watson y Crick sobre la estructura del DNA basados en los estudios de Rosalind Franklin con cristalografía de rayos X que se publicaron en 1953. Watson y Crick también sugirieron por primera vez el modelo de replicación del DNA semiconservador.
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Referencias:
Meselson, M., & Stahl, F. W. (1958). LA REPLICACIÓN DEL DNA EN ESCHERICHIA COLI. Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América, 44(7), 671–682. https://doi.org/10.1073/pnas.44.7.671
Davis, Tinsley H. "Meselson y Stahl: el arte de la replicación del DNA". Actas de la Academia Nacional de Ciencias 101 (2004): 17895–6.
Meselson, Matthew, Franklin W. Stahl y Jerome Vinograd. "Sedimentación en equilibrio de macromoléculas en gradientes de densidad". Actas de la Academia Nacional de Ciencias 43 (1957): 581–8. http://www.pnas.org/content/43/7/581.short (Consultado el 18 de abril de 2017.).