메셀슨과 스탈의 실험

2. 전사

유전자 복제 메커니즘은 유전자의 실체가 밝혀짐에 따라 중요한 관심사가 되었다. 유전자의 실체가 DNA임이 밝혀지고 그 이중 나선 구조가 왓슨과 크릭에 의해 해명되었을 때, 반보존적 복제가 이루어질 가능성이 그들 자신에 의해 시사되었다. 그러나 이것은 단순한 가설에 불과하며, 아무리 매력적이라 해도 그것을 증명하지 않으면 다른 가능성을 배제할 수 없었다.^[2]

당시 고려되었던 복제 유형은 다음과 같이 세 가지였다.

• 보존적 복제(Conservative replication): 원래의 DNA 가닥을 그대로 보존하고, 그것과 동일한 복제본을 만든다. 완전히 원래 가닥과 완전히 새로운 가닥으로 구성된 두 DNA 분자가 생성된다.
• 분산적 복제(Dispersive replication): 원래 가닥이 부분적으로 나뉘고, 새로운 가닥이 이를 보충하는 형태로 합성된다. 새로운 이중 나선은 각각 부분적으로 오래된 가닥을 포함한다.
• 반보존적 복제(Semiconservative replication): 원래 DNA 가닥이 둘로 나뉘어 각각을 주형으로 새로운 DNA 가닥을 만든다. 새로 생성된 두 개의 이중 나선은 각각 하나의 오래된 가닥과 하나의 새로운 가닥을 포함한다.

2. 1. 보존적 복제

2. 2. 분산적 복제

• 보존적 복제(Conservative replication): 원래의 DNA 가닥을 그대로 보존하고, 그것과 동일한 것을 복제한다. 완전히 원래의 가닥과 완전히 새로운 가닥이 만들어진다.
• 불연속적 복제(Discontinuous replication, 분산적 복제): 원래의 가닥은 부분적으로 나뉘어지고, 그것을 보충하는 형태로 새로운 가닥이 만들어진다. 새로운 이중 나선은 각각 부분적으로 오래된 가닥을 포함한다.
• 반보존적 복제(Semiconservative replication): 원래의 DNA 가닥을 둘로 나누어 각각을 주형으로 하여 새로운 DNA 가닥을 만든다. 새로 생성된 두 개의 이중 나선은 각각 오래된 가닥을 하나씩 포함한다.

2. 3. 반보존적 복제

• 보존적 복제(Conservative replication): 원래의 DNA 가닥을 그대로 보존하고, 그것과 동일한 복제본을 만든다. 완전히 원래 가닥과 완전히 새로운 가닥으로 구성된 두 DNA 분자가 생성된다.
• 분산적 복제(Dispersive replication): 원래 가닥이 부분적으로 나뉘고, 새로운 가닥이 이를 보충하는 형태로 합성된다. 새로운 이중 나선은 각각 부분적으로 오래된 가닥을 포함한다.
• 반보존적 복제(Semiconservative replication): 원래 DNA 가닥이 둘로 나뉘어 각각을 주형으로 새로운 DNA 가닥을 만든다. 새로 생성된 두 개의 이중 나선은 각각 하나의 오래된 가닥과 하나의 새로운 가닥을 포함한다.

3. 실험 과정 및 결과

메셀슨과 스탈의 실험은 DNA 복제가 반보존적으로 일어난다는 것을 증명한 실험이다. 이 실험에서 질소의 동위원소를 사용하여 오래된 폴리뉴클레오타이드 사슬과 새로 합성되는 것을 구별하였다.^[6]

실험 과정은 다음과 같다.

• ¹⁴N보다 무거운 ¹⁵N를 포함하는 배지에서 대장균을 여러 세대 동안 배양한다.
• ¹⁵N 배지에서 자란 대장균을 ¹⁴N 배지로 옮겨 배양하면서, 시간별로 DNA를 추출한다.
• 추출한 DNA를 밀도 기울기 원심분리하여 DNA 띠의 위치를 확인한다.

한 번의 복제 후, DNA는 중간 밀도를 갖는 것으로 나타났다. 이는 보존적 복제 가설을 배제할 수 있는 결과였다. 그러나 이 결과는 반보존적 복제와 분산적 복제 가설 모두와 일치했다.

두 번의 복제 후, DNA는 두 가지 다른 밀도를 가진 DNA가 같은 양으로 구성되어 있는 것으로 나타났다. 하나는 ¹⁴N 배지에서 한 번만 분열한 세포의 DNA의 중간 밀도에 해당하고, 다른 하나는 ¹⁴N 배지에서만 배양된 세포의 DNA에 해당했다. 이는 분산적 복제 가설과 일치하지 않는 결과였다. 따라서 이 실험 결과는 반보존적 복제 가설을 지지한다.^[6]

3. 1. 실험 방법

질소는 DNA의 주요 구성 성분이다. ¹⁴N는 질소의 가장 풍부한 동위원소이지만, 무거운(하지만 방사능이 없는) ¹⁵N 동위원소를 가진 DNA도 기능한다.

대장균(''Escherichia coli'')(''E. coli'')은 ¹⁵N을 포함하는 NH₄Cl이 들어있는 배지에서 여러 세대 동안 배양되었다. 이 세포들로부터 DNA를 추출하여 밀도 기울기 원심분리를 수행하면, DNA는 염(CsCl) 밀도 기울기에서 자신의 밀도가 염 용액의 밀도와 같아지는 지점에서 분리된다. ¹⁵N 배지에서 배양된 세포의 DNA는 일반적인 ¹⁴N 배지에서 배양된 세포보다 밀도가 더 높았다. 그 후, DNA에 ¹⁵N만 있는 ''E. coli'' 세포를 ¹⁴N 배지로 옮겨 분열시켰으며, 세포 분열의 진행 상황은 현미경 세포 계수와 콜로니 분석으로 모니터링되었다.

DNA는 주기적으로 추출되었으며 순수한 ¹⁴N DNA 및 ¹⁵N DNA와 비교되었다. 한 번의 복제 후, DNA는 중간 밀도를 갖는 것으로 밝혀졌다. 보존적 복제는 고밀도와 저밀도의 DNA가 같은 양으로 생성되는 결과를 낳기 때문에 (하지만 중간 밀도의 DNA는 생성되지 않음), 보존적 복제는 배제되었다. 그러나 이 결과는 반보존적 복제와 분산적 복제 모두와 일치했다. 반보존적 복제는 ¹⁵N DNA 가닥 하나와 ¹⁴N DNA 가닥 하나로 구성된 이중 가닥 DNA를 생성하는 반면, 분산적 복제는 두 가닥 모두 ¹⁵N과 ¹⁴N DNA가 혼합된 이중 가닥 DNA를 생성하며, 이 중 어느 것이든 중간 밀도의 DNA로 나타났을 것이다.

연구자들은 복제가 계속 진행됨에 따라 세포를 계속 샘플링했다. 두 번의 복제가 완료된 후 세포에서 추출한 DNA는 두 가지 다른 밀도를 가진 DNA가 같은 양으로 구성되어 있는 것으로 밝혀졌는데, 하나는 ¹⁴N 배지에서 한 번만 분열한 세포의 DNA의 중간 밀도에 해당하고, 다른 하나는 ¹⁴N 배지에서만 배양된 세포의 DNA에 해당했다. 이는 분산적 복제와 일치하지 않았는데, 분산적 복제의 경우 한 세대 세포의 중간 밀도보다 낮지만, ¹⁴N DNA 배지에서만 배양된 세포보다는 높은 단일 밀도를 나타냈을 것이기 때문이다. (원래의 ¹⁵N DNA가 모든 DNA 가닥에 균등하게 분배되었을 것이기 때문). 이 결과는 반보존적 복제 가설과 일치했다.^[6]

3. 2. 실험 결과

¹⁴N 배지로 옮긴 후 첫 번째 분열이 일어난 대장균에서 추출한 DNA는 모두 중간 위치에 나타났다. 두 번째 분열 이후의 세포에서 얻은 DNA는 중간 위치와 위쪽 위치에 나타났다. 이는 첫 번째 분열에서 ¹⁵N 사슬을 바탕으로 ¹⁴N 사슬이 형성되어 중간 무게의 사슬이 형성되었고, 두 번째 분열에서는 ¹⁴N와 ¹⁵N 사슬 각각을 바탕으로 새롭게 DNA가 합성되어, ¹⁵N 사슬을 바탕으로 한 것은 중간 무게의 사슬이 되었고, ¹⁴N 사슬을 바탕으로 한 것은 가벼운 사슬이 되었다는 것을 의미하며, 반보존적 복제가 진행되고 있음을 보여주는 것이다.^[6]

이후에도 반보존적 복제가 이루어진다는 것은 여러 방법과 다양한 생물을 대상으로 한 실험을 통해 확인되었다.