O que é a Experiência Meselson-Stahl

O experimento de Meselson-Stahl permitiu que os cientistas mostrassem como nosso DNA duplica. Neste post, explicamos como eles conseguiram provar isso. 

A replicação do DNA é um processo importante para a transmissão de informação genética ou proliferação celular. O experimento de Meselson e Stahl mostrou que esta é uma replicação semiconservativa.

Experimento de Meselson-Stahl simplesmente explicado

Sua célula contém o material genético, ou seja, o DNA. Quando as células se multiplicam, o DNA também deve ser duplicado. Para fazer isso, a fita dupla de DNA é separada e uma cópia idêntica é feita de ambas as fitas simples. Você chama o processo de replicação. 

Em 1958, os cientistas americanos Meselson e Stahl conseguiram mostrar como ocorre a replicação do DNA com o experimento Meselson-Stahl , que recebeu o nome deles. Eles foram capazes de provar que esta é uma replicação semi-conservativa (semi-preservação) . 

Até então, três mecanismos diferentes de duplicação de DNA eram discutidos – a replicação conservativa, a semiconservativa e a dispersiva.

O que é replicação semiconservativa?

Então hoje sabemos que a duplicação de nossa informação genética é semiconservativa (= semi-preservação). Que significa: 

• replicação semiconservativa : cada uma das duas células filhas recebe uma fita dupla de DNA com uma fita mãe e uma fita recém-formada. 

Inicialmente, porém, os cientistas apenas concordaram que, durante a replicação, o material genético é copiado, por assim dizer, apresentando a dupla fita. 

Portanto, duas outras possibilidades eram concebíveis de como isso poderia funcionar: 

• Replicação conservadora : uma das células filhas recebe uma fita dupla composta de ambas as fitas mãe, enquanto a outra recebe uma molécula de DNA composta de duas fitas recém-formadas. 
• replicação dispersiva : Em ambas as células filhas, o genoma é composto por uma mistura de fitas novas e velhas. 

Graças ao experimento de Meselson-Stahl, no entanto, ambas as teorias foram refutadas.

Destino do experimento Meselson-Stahl

Matthew Meselson e Franklin Stahl conduziram um experimento com células bacterianas para rastrear o processo de replicação idêntica . Eles queriam provar que a duplicação de nossa informação genética corresponde a uma replicação semiconservativa. 

Procedimento do experimento de Meselson-Stahl

Para o experimento, os dois usaram várias gerações da bactéria Escherichia coli (E. coli), que cultivaram em meio de cultura. 

Eles também usaram o método de rotulagem de isótopos para determinar quais blocos de construção de DNA as bactérias usadas em cada caso. Para fazer isso, eles usaram isótopos de nitrogênio , ou seja, moléculas de nitrogênio com diferentes números de massa . O elemento mais comum é o nitrogênio (N) com uma massa de 14 u ( ¹⁴ N). Ele contém 7 prótons (partículas carregadas positivamente) e 7 nêutrons (partículas não carregadas) em seu núcleo. Mas também existem isótopos de nitrogênio que têm 8 nêutrons em seu núcleo ( ¹⁵ N) e, portanto, são mais pesados. 

Como não faz diferença para as bactérias o tipo de nitrogênio que elas recebem, Meselson e Stahl alimentaram as bactérias com nutrientes contendo ¹⁵ N. Isso faz com que a E. coli incorpore as moléculas mais pesadas em seu DNA, fazendo com que ganhe peso. 

Em seguida, os cientistas trocaram o meio nutriente por um com nitrogênio “normal” ^{de 14} N, no qual as bactérias deveriam se multiplicar. Eles esperaram cerca de 40 minutos para que as bactérias se multiplicassem duas vezes. 

Após cada rodada, eles coletaram amostras de DNA das culturas bacterianas. Usando centrifugação em gradiente de densidade , eles classificaram as moléculas de DNA de acordo com seu peso. Com isso você quer dizer um processo de separação no qual partículas de diferentes pesos são depositadas em diferentes velocidades quando giradas rapidamente. 

O que é o experimento de Meselson e Stahl? 

Na década de 1950, os dois cientistas Matthew Meselson e Frankling William Stahl queriam rastrear o processo exato de replicação do DNA. James D. Watson e Francis C. Crick, que também pesquisaram a estrutura de dupla hélice do DNA e produziram importantes descobertas, já suspeitavam que os pares de bases complementares eram de grande importância para a replicação. No entanto, eles ainda não foram capazes de provar isso. Com a ajuda do experimento de Meselson e Stahl, o mistério do mecanismo de replicação do DNA pôde finalmente ser resolvido.

Se você deseja obter mais informações sobre o processo de Replicação do DNAS e quiser saber, leia o artigo. Caso contrário, aqui está um breve resumo:

• As duas fitas simples de DNA são separadas uma da outra usando a enzima helicase.
• Na fita líder, a DNA polimerase une as bases com suas contrapartes complementares para sintetizar a nova fita simples.
• A ligase liga os fragmentos de Okazaki às bases da fita secundária.
• Isso cria duas fitas de DNA, cada uma consistindo de uma fita simples antiga e uma nova.

Como foi o experimento de Meselson e Stahl? 

objetivo e hipóteses

O objetivo do experimento era provar que a Replicação do DNA dos humanos tinha que ser uma replicação semi-conservativa. Essa suposição estava próxima de Watson e Crick, bem como de Meselson e Stahl, mesmo que três teorias diferentes fossem inicialmente concebíveis:

• Replicação semiconservativa: O novo duplex consiste em uma fita simples original e uma recém-sintetizada.
• Replicação conservadora : O novo duplex consiste em duas fitas simples recém-sintetizadas.
• Replicação dispersiva: O novo duplex consiste em uma mistura da fita simples original e recém-sintetizada.

execução

As bactérias E. coli foram usadas para o experimento. expostos a diferentes meios de cultura. Várias gerações deveriam ser criadas nestes, dos quais amostras foram então retiradas.

Normalmente o nitrogênio (N) tem uma massa de 14 u (portanto é denotado como 14N). No entanto, também existem isótopos de nitrogênio, que são referidos como 15N e, portanto, têm uma massa maior que o nitrogênio 14N, mas são quimicamente idênticos. Isso será crucial na avaliação. 

O primeiro meio em que as bactérias foram expostas continha nutrientes com nitrogênio 15N. Assim, a E. coli pega as moléculas e as incorpora em seu DNA, tornando-o mais pesado. 

Em seguida, a bactéria mudou-se para um segundo meio de cultura. Desta vez contém nutrientes com nitrogênio N14 normal. Após 20 minutos, os cientistas coletaram uma amostra porque as bactérias haviam se multiplicado. Depois de mais vinte minutos, outra amostra de uma nova geração foi tirada.

Resultado

Para avaliar o experimento, Meselson e Stahl usaram o que é conhecido como centrifugação em gradiente de densidade. Isso classifica as moléculas de DNA de acordo com seu peso.

Figura 2: Representação dos resultados do experimento de Meselson e Stahl; Fonte via spekter.de 

Na figura você pode ver diferentes bandas que representam o peso das moléculas de DNA. A primeira amostra mostra que existe apenas a banda de DNA 15N/15N. Isso significa que ambas as fitas da dupla hélice incorporaram o isótopo pesado de nitrogênio 15N.

Na segunda amostra, a única banda está entre 14N e 15N. Isso significa que o DNA contém 14N e 15N, pois o peso está entre os dois. Isso já refutou a teoria da replicação conservativa. Uma banda de 14N e 15N teria que se formar para isso, uma vez que cepas novas e antigas não se misturariam, mas conteriam 14N como geração filha ou 15N como geração pai. Isso deixou as teorias de replicação semiconservativa e dispersiva.

Com a ajuda da terceira sonda, a replicação dispersiva também pode ser refutada. De fato, surgiram duas bandas: uma média-pesada entre 14N e 15N como na geração anterior, e uma banda de DNA leve 14N/14N. Isso prova que deve ser a replicação semiconservativa. Porque ela iria Replicação do DNA executado dispersivamente, apenas uma banda entre 14N e 15N deve ter se formado novamente.

Com esse conhecimento, vejamos novamente o curso do experimento:

1. As bactérias incorporam 15N em seu DNA e são então transferidas para o outro meio.
2. Na primeira replicação, o DNA 15N é usado como fita mãe. No entanto, como o meio de cultura não contém 15N e sim 14N, a cópia de ambas as fitas mãe é feita com 14N. Assim, após a replicação, temos DNA com uma fita contendo 15N enquanto a outra possui 14N incorporado.
3. Assim, na segunda replicação temos uma fita mãe com 15N e outra com 14N. Como ainda há apenas 14N no meio, as cópias são redesenvolvidas com 14N. Então, finalmente, após a segunda replicação, temos dois tipos de DNA: um ainda é misturado 15N/14N, o outro é 14N/14N.

Experiência de Meselson e Stahl – as coisas mais importantes em resumo

• O experimento de Meselson e Stahl prova que o mecanismo de replicação do DNA é a replicação semiconservativa.
• A replicação semiconservativa significa que, após a replicação, a nova fita dupla consiste em uma fita simples original e uma fita recém-sintetizada.
• Antes do experimento, havia três teorias sobre a replicação do DNA: deveria ser uma replicação semiconservativa, conservativa ou dispersiva.
• Para o experimento, as bactérias foram alimentadas com moléculas de nitrogênio de diferentes pesos e criadas por várias gerações.
• O peso do DNA devido às diferentes moléculas de nitrogênio provou que a replicação do DNA é semiconservativa.

Descobertas do experimento de Meselson-Stahl

A separação das fitas de DNA forneceu aos cientistas diferentes bandas que eles puderam atribuir ao peso.

Isso permitiu que eles fizessem as observações cruciais: 

• A primeira amostra mostra apenas uma banda correspondente ao DNA ^15N / ^{15N .} Isso significa que ambas as fitas da dupla hélice intercalaram o isótopo pesado. 
• A segunda amostra, após a primeira amplificação, mostra uma banda correspondente a uma mistura de 50% de isótopos  ^15N e ^{14N .}
  Isso exclui a replicação conservadora. Então duas bandas (em ¹⁴ N e ¹⁵ N) devem ter se formado. Porque se as fitas novas e velhas não fossem misturadas, a geração-mãe conteria apenas ¹⁵ N e a geração filha apenas ¹⁴ N. 

Portanto, resta apenas esclarecer se os diferentes isótopos foram distribuídos em ambas as fitas (dispersiva) ou apenas em uma fita (semi-conservadora). 

• A terceira amostra da 2ª geração filha apresentou duas bandas: uma em ^14N e outra correspondente à mistura de ^14N e ^15N .
  Isso exclui a replicação dispersiva. Porque então apenas uma banda de uma mistura deveria ter se formado após a mesma incorporação de ambos os isótopos.

O experimento de Meselson e Stahl mostrou que o mecanismo deve corresponder a uma replicação semiconservativa. Então:

1. Após a primeira replicação, as fitas de DNA são formadas com uma fita mãe ^{de 15 N e uma cópia de 14} N. Isso ocorre porque apenas ¹⁴ N isótopos podem ser incorporados  no meio ^{14 N.}
2. A terceira amostra mostra que uma fita dupla de ¹⁴ N – ^{15 N é formada quando uma fita de 15 N é apresentada} . Por outro lado, quando uma fita ^{de 14} N está presente, desenvolve-se uma fita dupla que consiste em apenas moléculas de ¹⁴ N.

replicação

Então, o que isso significa é que quando o DNA é replicado, ambas as fitas parentais são copiadas e combinadas com as novas fitas. Como o DNA tem uma estrutura de dupla hélice (espiral), ele deve primeiro ser desenrolado. Isso é feito pela enzima helicase.  

Em seguida, forma-se a chamada forquilha de replicação , onde ambas as fitas podem ser replicadas. Para fazer isso, a enzima DNA polimerase liga um bloco de construção de DNA ( nucleotídeo ) após o outro. Mas como ela sabe qual é o nucleotídeo correto? 

Agora você sabe tudo o que precisa saber sobre o experimento de Meselson e Stahl. Mas há muito mais para aprender sobre DNA! Se você quiser saber mais, dê uma olhada nos outros artigos do StudySmarter.