تجربة ميسلسون-ستال

تجربة ميسلسون -ستال هي تجربة أجراها ماثيو ميسلسون وفرانكلين ستال عام 1958، دعمت فرضية واتسون وكريك القائلة بأن تضاعف الحمض النووي (DNA) شبه محافظ . في التضاعف شبه المحافظ، عند تضاعف حلزون الحمض النووي المزدوج، يتكون كل من الحلزونين الجديدين من شريط من الحلزون الأصلي وشريط مُصنّع حديثًا. وقد وُصفت هذه التجربة بأنها "أجمل تجربة في علم الأحياء". ^{[ 1 ]} قرر ميسلسون وستال أن أفضل طريقة لتتبع الحمض النووي الأصلي هي وسمه بتغيير إحدى ذراته. ولأن النيتروجين موجود في جميع قواعد الحمض النووي ، فقد أنتجا حمضًا نوويًا أصليًا يحتوي على نظير أثقل من النيتروجين الموجود طبيعيًا. سمحت لهما هذه الكتلة المتغيرة بتحديد كمية الحمض النووي الأصلي المتبقية في الحمض النووي بعد دورات متتالية من التضاعف.

تم اقتراح ثلاث فرضيات سابقاً لطريقة تضاعف الحمض النووي.

في الفرضية شبه المحافظة ، التي اقترحها واتسون وكريك ، ينفصل شريطا جزيء الحمض النووي أثناء التضاعف. ثم يعمل كل شريط كقالب لتخليق شريط جديد. ^{[ 2 ]}

تفترض الفرضية المحافظة أن جزيء الحمض النووي بأكمله يعمل كقالب لتخليق جزيء جديد تمامًا. ووفقًا لهذا النموذج، ترتبط بروتينات الهيستون بالحمض النووي، مما يؤدي إلى دوران الشريط وكشف قواعد النيوكليوتيدات (التي تبطن عادةً الجزء الداخلي) لتكوين روابط هيدروجينية. ^{[ 3 ]}

تُجسّد فرضية التشتت نموذجًا اقترحه ماكس ديلبروك ، والذي يحاول حل مشكلة فكّ خيطي اللولب المزدوج بآلية تكسر هيكل الحمض النووي كل 10 نيوكليوتيدات تقريبًا، ثم تفكّ الجزيء، وتربط الخيط القديم بنهاية الخيط المُصنّع حديثًا. وهذا من شأنه أن يُصنّع الحمض النووي في قطع قصيرة تتناوب بين الخيطين. ^{[ 4 ]}

يقدم كل نموذج من هذه النماذج الثلاثة تنبؤًا مختلفًا حول توزيع الحمض النووي "القديم" في الجزيئات المتكونة بعد التضاعف. ففي الفرضية المحافظة، بعد التضاعف، يكون أحد الجزيئات هو الجزيء "القديم" المحفوظ بالكامل، والآخر هو حمض نووي مُصنّع حديثًا بالكامل. أما الفرضية شبه المحافظة فتتنبأ بأن كل جزيء بعد التضاعف سيحتوي على شريط قديم وشريط جديد. بينما يتنبأ النموذج التشتتي بأن كل شريط من كل جزيء جديد سيحتوي على مزيج من الحمض النووي القديم والجديد. ^{[ 5 ]}

يُعد النيتروجين مكونًا رئيسيًا للحمض النووي DNA. ويُعتبر نظير النيتروجين ^14N الأكثر وفرة، ولكن الحمض النووي DNA الذي يحتوي على نظير النيتروجين ^15N الأثقل (ولكنه غير مشع) يكون فعالًا أيضًا.

تمت زراعة بكتيريا الإشريكية القولونية لعدة أجيال في وسط يحتوي على كلوريد الأمونيوم _بتركيز 15 ^مولار . عند استخلاص الحمض النووي من هذه الخلايا وإخضاعه للطرد المركزي الكثافي على تدرج كثافة ملحي ( كلوريد السيزيوم )، ينفصل الحمض النووي عند النقطة التي تتساوى فيها كثافته مع كثافة المحلول الملحي. كان الحمض النووي للخلايا المزروعة في ^{وسط 15} مولار أكثر كثافة من الخلايا المزروعة في ^{وسط 14} مولار عادي. بعد ذلك،نُقلتخلايا الإشريكية القولونية التي تحتوي على ^{15 مولار فقط في حمضها النووي إلى وسط 14} مولار، وسُمح لها بالانقسام؛ وتمت مراقبة تقدم انقسام الخلايا عن طريق العد المجهري للخلايا واختبار المستعمرات.

تم استخلاص الحمض النووي دوريًا ومقارنته بحمض نووي نقي من نوع 14N وحمض ^{نووي من نوع 15N} . بعد عملية تضاعف واحدة، وُجد أن كثافة الحمض النووي متوسطة. ولأن التضاعف المحافظ ينتج عنه كميات متساوية من الحمض النووي ذي الكثافة الأعلى والأقل (ولكن لا ينتج عنه حمض نووي ذو كثافة متوسطة)، فقد تم استبعاد التضاعف المحافظ. ومع ذلك، كانت هذه النتيجة متوافقة مع كل من التضاعف شبه المحافظ والتضاعف التشتتي. ينتج عن التضاعف شبه المحافظ حمض نووي مزدوج السلاسل، إحداهما من نوع ^15N والأخرى من نوع ^14N ، بينما ينتج عن التضاعف التشتتي حمض نووي مزدوج السلاسل، تحتوي كلتا سلسلتيه على خليط من الحمض النووي من نوعي ^15N و ¹⁴ N، وكلاهما يظهر كحمض نووي ذي كثافة متوسطة.

واصل الباحثون أخذ عينات من الخلايا مع استمرار عملية التضاعف. ووجدوا أن الحمض النووي المستخلص من الخلايا بعد اكتمال دورتين من التضاعف يتكون من كميات متساوية من الحمض النووي بكثافتين مختلفتين، إحداهما تُطابق الكثافة المتوسطة للحمض النووي للخلايا التي نُمت لانقسام واحد فقط في وسط ^14N ، والأخرى تُطابق الحمض النووي للخلايا التي نُمت حصريًا في وسط ^14N . يتعارض هذا مع فرضية التضاعف التشتتي، الذي كان سينتج عنه كثافة واحدة، أقل من الكثافة المتوسطة للخلايا التي نُمت لجيل واحد، ولكنها لا تزال أعلى من كثافة الخلايا التي نُمت فقط في وسط ^{14N ، حيث كان الحمض النووي 15N} الأصلي سينقسم بالتساوي بين جميع خيوط الحمض النووي. وتتوافق هذه النتيجة مع فرضية التضاعف شبه المحافظ. ^{[ 6 ]}

• هولمز، فريدريك لورانس (2001). ميسلسون، ستال، وتضاعف الحمض النووي: تاريخ "أجمل تجربة في علم الأحياء" . نيو هيفن، كونيتيكت: مطبعة جامعة ييل. ISBN 978-0-300-08540-2.

• محاضرة قصيرة لماثيو ميسلسون: "التضاعف شبه المحافظ للحمض النووي"
• الحمض النووي منذ البداية: رسوم متحركة تشرح التجربة.
• تجربة ميسلسون-ستال: رسم متحرك مفيد آخر.
• تجربة ميسلسون وستال - رسوم متحركة باللغة الإنجليزية
• وصف لتجربة ميسلسون-ستال بقلم ناثان إتش. لينتس ، بما في ذلك البيانات الأصلية من Visionlearning