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生物
DNA复制的模式：米西尔逊-斯塔尔（Meselson-Stahl）实验
一个证明了DNA复制的半保守机制的关键历史实验。
关键点
- 有三种模型解释生物如何复制DNA：半保留、全保留和分散保留。
- 在半保留复制模型中，每一条DNA链子作为一个用来制作一条全新的互补链的模板。基于DNA的结构，这个模型看起来是最有可能的。
- 这些模型由米西尔逊和斯塔尔测试，他们使用氮的同位素标记了很多代细菌DNA。
- 根据他们看到的DNA标记呈现的模式，米西尔逊和斯塔尔确认DNA是半保留复制。
DNA复制模式
想象一下你在1953年，DNA的双螺旋结构刚刚被发现start superscript, 1, end superscript。在你以及其他科学家的脑海里会有哪些迫切的问题？
一大问题是关于DNA复制。对于复制是如何发生的，DNA的双螺旋结构提供了一个吸引人的暗示start superscript, 1, comma, 2, end superscript。似乎螺旋结构的两条互补链会在复制过程中分离，每一条都被用作是制作一条新的配对链的模板。
但这实际上是这样的吗？剧透警告：答案是正确的！在本篇文章中，我们会看一看一个著名的试验，它有时称为“生物学上最优美的试验”。这个实验确立了DNA复制的基本机制为 半保留——即生产包含有一条新链和一条旧链的DNA分子cubed。
DNA复制的三个模型
在发现DNA结构之后，科学界提出了三种DNA复制的基本模型。它们如下图所示：
- 半保留复制。 在这个模型里，两条DNA链彼此解开，每一条链都会作为合成一条全新互补链的模板。所以，新的两个DNA分子都是含有一条原始链和一条新链。
- 全保留复制。在这个模型里，DNA复制制造出一个含有两条原始DNA链的分子（和原始DNA分子一模一样），和另一个含有两条全新DNA链的分子（不过它含有和原始分子的一样的序列）。
- 分散保留复制。 在分散模式中，DNA复制结果产生了两个像混合物的DNA分子，或者说它们是亲本和子本DNA的“杂合”。在这种模式中，每一条单独的DNA链都是都是原始的和新的DNA的拼接物。
当时大多数生物学家可能把宝押在半保留的模型上。鉴于DNA双螺旋的结构，这一模型看起来很有道理。在这双螺旋结构中，两条DNA的互补关系完全在预料之内（一条有一个T，另一条就有一个A；一条有一个G，另一个就会有一个C等等）start superscript, 2, comma, 4, end superscript。这种关系使得人们很容易想象每条链被用作合成一个新“搭档”的模板。
然而，生物学的很多例子表明这个“明显”的解决办法并非正解。 (蛋白质作为一种遗传材料，有人赞同吗？）。因此，用实验确定哪种模型是真正在细胞的DNA复制中使用的是非常关键的。
米西尔逊和斯塔尔解决了这个谜题
马特·米西尔逊和富兰克林·斯塔尔最初在1954年相识，在同一年华森和克里克发表了关于DNA结构的论文。虽然这两位研究人员有着不同的研究兴趣，但他们都被DNA的复制问题深深吸引，并决定组成一个团队来尝试确定其复制机制start superscript, 5, end superscript。
米西尔逊-斯塔尔实验
米西尔逊和斯塔尔利用 E.coli 细菌作为模型系统，进行了他们著名的DNA复制实验。
一开始，他们培养 E. coli 的培养基（营养汤）中含有一种更“重”的氮的同位素，start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text。(同位素 就是一种元素的众多版本中的一个，每个版本的原子核中中子数量各不相同。) 当在含有较重的 start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text的培养基里成长的时候，细菌吸收了其中的氮来合成新的生物分子，其中包括DNA。
在 start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text 培养基中经过了数代之后，细菌DNA中的氮基全部被较重的 start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text 标记好了。然后，这些细菌被换到了一个含有一种较轻的同位素 start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text 的培养基中，让它们在那里又生活了很多代。在这个变换之后生产出的DNA应该含有 start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text，因为这会是唯一一种细菌可以拿来合成DNA的氮同位素。
米西尔逊和斯塔尔知道 E. coli 细胞分裂的频繁程度，所以他们能够在每一代收集少量样品，提取并净化DNA。然后，他们使用 密度梯度离心法 来测量这些DNA的密度 (并且间接地测量其 start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text 和 start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text 的含量) 。
这种方法通过把像DNA这样的分子和另一种分子（如氯化铯）一起高速旋转。氯化铯会形成一个从管顶部到底部的密度梯度，把目标分子分离形成条带。密度梯度离心法可以让非常小的差异——例如start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text 和 start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text 标记的DNA之间的差别——被识别出来。
实验结果
当分析最开始四代 E.coli 的DNA时，它产生了下图所示的条带样式：
这一结果告诉了米西尔逊和斯塔尔什么？让我们来看一看这些最初几代细菌，它们提供了关键的信息。
第 0 代
在实验开始时分离出来的DNA（“第 0 代”，就在切换到 start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text 培养基中之前），这些DNA在离心之后只产生了一条条带。结果是有道理的，因为这时DNA中应该只包含较重的 start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text。
第 1 代
在经过一代(一轮DNA复制)之后分离出来的DNA, 在离心后也产生了一条条带。不过这条带更高，在较重的 start superscript, 15, end superscript, start text, N, end text DNA 和 较轻的 start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text DNA 的条带之间。
在中间的条带告诉米西尔逊和斯塔尔在第一轮复制中制造的DNA分子是一种较轻和较重DNA的杂合。这结果与分散保留模型和半保留模型相符，但不与全保留模型相符。
因为全保留模型预计会在这一代产生两条分离的条带（一条是较重的原始分子和一条是较轻的新分子）。
第 2 代
第二代提供的信息让米西尔逊和斯塔尔确定了剩下的两种模型（半保留或分散保留）中哪一种实际上是正确的。
在第二代DNA离心后，它产生了两条条带。一条位置与第一代的中间带相同，第二个位置更高（看起来只被 start superscript, 14, end superscript, start text, N, end text 标记过）。
这一结果告诉米西尔逊和斯塔尔DNA是半保留复制的。 两条不同的条带——一条在混合分子的位置，另一条在较轻分子的位置——正是我们期望中半保留复制会产生的图案（如下图所示）。 相反，在分散保留复制中，所有分子都应该拥有一点一点的旧的和新的DNA，因此是不可能获得“纯轻”的分子。
第 3 和第 4 代
在半保留模型中，每一个杂合的DNA分子预计从第二代开始混合DNA分子将在第三代产生一个杂合分子和一个较轻分子，而每个较轻DNA分子只会产生更多的较轻分子。
因此，在第三代和第四代中，我们预计看到杂合分子的条带逐步变淡（因为它将占DNA总数的更小的一部分），而较轻分子的条带逐渐变深（因为它将代表更大的一部分）。
正如我们可以在图片中看到的那样，米西尔逊和斯塔尔在他们的结果中也看到了这种规律，从而证实了半保留的复制模式。
总结
米西尔逊和斯塔尔进行的实验表明DNA是半保留复制的，这意味着DNA分子中的每一条链都作为合成一条新互补链的模板。
虽然米西尔逊和斯塔尔是在细菌 E. coli 上进行的实验，但我们现在已经了解到半保留DNA复制是地球上所有生物共享的一种普遍机制。你的一些细胞现在正通过半保留机制复制DNA呢！