メセルソン-スタールの実験

メセルソン-スタールの実験は、1958年にマシュー・メセルソンとフランクリン・スタールによって実施され、生命の根幹をなすDNAの複製が「半保存的」な様式で行われることを実験的に証明した金字塔的研究である。

背景

遺伝子がどのように増殖し、親から子へと情報が受け継がれるのかという問いは、古くから生物学における重要なテーマであった。特に、遺伝子の本体がデオキシリボ核酸（DNA）であることが確立され、ワトソンとクリックがDNAの二重らせん構造を解明したことで、この問いは具体性を帯びた。ワトソンとクリック自身も、二重らせん構造はその相補的な性質から、それぞれの鎖を鋳型として新しい鎖が合成される「半保存的複製」の可能性を示唆していた。しかし、これは構造に基づいた推測であり、実際の複製がどのような様式で行われるかは実験的に証明される必要があった。当時、DNAの複製様式については主に以下の三つのモデルが提唱されていた。

保存的複製（Conservative replication）: 複製後、元の二本鎖DNAはそのまま残り、全く新しい成分から完全に新しい二本鎖DNAが合成されるというモデル。結果として、古い二本鎖と新しい二本鎖がそれぞれ独立して存在すると考えられた。
分散的複製（Dispersive replication）: 複製後、元のDNA鎖が断片化され、新しいDNA成分と混ざり合いながら新しい二本鎖DNAが合成されるというモデル。結果として、新しい二本鎖はいずれも古い成分と新しい成分がモザイク状に混在すると考えられた。
半保存的複製（Semiconservative replication）: 複製後、元の二本鎖DNAがほどけて二本の一本鎖となり、それぞれの古い一本鎖を鋳型として、相補的な新しい一本鎖が合成されるというモデル。結果として、新しくできた二本鎖DNAは、それぞれ古い一本鎖と新しい一本鎖から構成されると考えられた。

実験手法

メセルソンとスタールは、これら三つの複製モデルの中から正しいものを特定するために、DNA鎖を物理的に区別する方法を考案した。彼らは、DNAの構成要素である窒素に、通常の同位体である窒素14（¹⁴N）よりも質量が重い安定同位体である窒素15（¹⁵N）が存在することに着目した。¹⁵Nを含む培地で大腸菌を長期間培養すれば、菌のDNAに含まれる窒素のほぼ全てが¹⁵Nに置き換わり、通常（¹⁴N）のDNAよりも密度が高くなる。次に、この¹⁵N標識された大腸菌を、通常の¹⁴Nを含む培地に移して培養し、細胞分裂を経時的に追跡した。細胞が増殖するにつれて新しく合成されるDNA鎖は、培地中の¹⁴Nを取り込むため、古い¹⁵Nを含む鎖とは密度が異なるはずである。

これらの密度のわずかな違いを精密に分離するため、彼らは当時新しく開発された密度勾配遠心法（Density gradient centrifugation）を用いた。この手法では、塩化セシウム（CsCl）のような重い塩の溶液を高速で遠心分離することで、溶液中に密度の連続的な勾配を作り出す。ここにDNA試料を加えて再び遠心すると、DNA分子はその密度と溶液の密度が釣り合う位置に集まり、バンドとして観測される。¹⁵Nのみを含む重いDNAは勾配の下部に、¹⁴Nのみを含む軽いDNAは勾配の上部にバンドを形成する。そして、¹⁵N鎖と¹⁴N鎖が一本ずつ結合した中間密度のDNAは、その中間の位置にバンドを形成すると予測された。

各複製モデルにおいて、密度勾配遠心法でどのようなバンドパターンが得られるか予測された：

保存的複製：1回目の複製後、古い重いDNAのバンドと、新しい軽いDNAのバンドの二つが現れると予想された。
分散的複製：複製世代が進むにつれて、DNAの密度が徐々に平均化され、単一の中間的な密度のバンドが観察されると予想された。
半保存的複製：1回目の複製後、全てのDNAが¹⁵N鎖と¹⁴N鎖からなる中間密度のハイブリッドとしてバンドを形成すると予想された。2回目の複製後には、中間密度のハイブリッドに加え、¹⁴N鎖のみからなる軽いDNAのバンドが現れると予想された。

実験結果と結論

メセルソンとスタールが¹⁴N培地で培養した大腸菌から得たDNAを分析した結果は、以下の通りであった。

¹⁴N培地に移してから1回目の細胞分裂（約1世代）を終えた大腸菌のDNAは、全てが¹⁵Nのみを含むDNAと¹⁴Nのみを含むDNAのちょうど中間の密度にバンドを形成した。
2回目の細胞分裂（約2世代）を終えた大腸菌のDNAは、中間の密度のバンドと、¹⁴Nのみを含む軽いDNAのバンドの二つを形成した。これら二つのバンドの量はほぼ等しかった。
3回目以降の分裂を経たDNAを分析すると、中間密度のバンドと軽いDNAのバンドは引き続き観察されたが、世代が進むごとに軽いDNAのバンドの割合が増加していった。

これらの実験結果は、三つの複製モデルのうち半保存的複製モデルと完全に一致した。1回目の複製で全てが中間密度のバンドになったことは、全てのDNA分子が古い¹⁵N鎖と新しい¹⁴N鎖を一本ずつ持つハイブリッドになったことを示している。2回目の複製で中間密度と軽いバンドが半々になったことは、1回目のハイブリッドDNAが再びほどけ、それぞれの鎖（¹⁵N鎖と¹⁴N鎖）を鋳型として新しい¹⁴N鎖が合成されたことを示唆する。¹⁵N鎖を鋳型にしたものは¹⁵N/¹⁴Nのハイブリッドとなり中間密度に、¹⁴N鎖を鋳型にしたものは¹⁴N/¹⁴Nとなり軽い密度になる。

この画期的な実験により、DNAが二重らせん構造を維持しながら複製されるメカニズムが解明され、「DNAは半保存的に複製される」という生物学の基本的な原則が確立された。その後も、様々な生物種や手法を用いて、DNAの半保存的複製は普遍的な現象であることが確認されている。

メセルソン-スタールの実験