Meselson và Stahl cần thế hệ vi khuẩn thứ hai để phân biệt hai mô hình cạnh tranh về cách DNA nhân đôi

24/10/2026 · VietTechies · Biên tập

Năm 1957 tại California Institute of Technology, Matthew Meselson và Franklin Stahl cho acid deoxyribonucleic (DNA) của vi khuẩn quay trong máy siêu ly tâm phân tích với tốc độ hơn bốn mươi nghìn vòng mỗi phút, chờ các phân tử tập trung thành những dải rõ nét khi quan sát bằng tia tử ngoại. Khi thế hệ Escherichia coli đầu tiên được nuôi bằng nitơ thông thường phân chia xong, một dải sắc gọn duy nhất xuất hiện ở chính giữa hai mẫu đối chứng nặng và nhẹ. Kết quả ấy loại trừ mô hình nhân đôi bảo tồn, nhưng tự nó chưa thể phân biệt hai mô hình còn lại.

Bốn năm trước đó, James Watson và Francis Crick đã đề xuất cấu trúc xoắn kép của DNA, cùng nhận xét nổi tiếng rằng cách các bazơ bắt cặp đặc hiệu lập tức gợi ra một cơ chế sao chép. Theo giả thuyết bán bảo tồn của họ, hai mạch DNA mẹ tách nhau ra, mỗi mạch làm khuôn để tổng hợp một mạch bổ sung. Nhưng hai mô hình khác cũng giải thích được quá trình di truyền ấy. Trong mô hình nhân đôi bảo tồn, phân tử DNA mẹ ban đầu vẫn nguyên vẹn, còn một phân tử hai mạch hoàn toàn mới được tạo thành. Trong mô hình nhân đôi phân tán, vật chất từ DNA mẹ bị chia nhỏ và phân bố đều trên các mạch DNA con.

Cái bẫy ở thế hệ đầu tiên

Để kiểm tra các mô hình, Meselson và Stahl nghĩ ra cách đánh dấu bằng đồng vị. Họ nuôi tế bào E. coli qua mười bốn thế hệ trong môi trường chứa amoni clorua được làm giàu nitơ-15, một đồng vị nặng, bền của nitơ. Nitơ nặng được đưa vào đồng đều trong các bazơ purine và pyrimidine của DNA vi khuẩn, khiến DNA này có khối lượng riêng lớn hơn khoảng một phần trăm so với DNA bình thường chứa nitơ-14.

Tiếp đó, họ đột ngột chuyển dịch nuôi cấy đang tăng trưởng theo cấp số nhân sang môi trường chứa lượng amoni clorua nitơ-14 thông thường dư gấp mười lần, cùng các riboside không được đánh dấu. DNA mới tổng hợp sẽ chứa đồng vị nhẹ hơn. Họ dùng phương pháp ly tâm theo gradient khối lượng riêng, tức sự biến thiên khối lượng riêng theo vị trí, trong dung dịch xesi clorua (CsCl) đậm đặc: lực ly tâm đẩy DNA về phía đáy buồng chứa mẫu, còn sự khuếch tán tác động theo chiều ngược lại. Nhờ đó, các phân tử DNA tập trung thành những dải hẹp ở trạng thái cân bằng, đúng tại vị trí mà khối lượng riêng của dung dịch bằng khối lượng riêng nổi của chúng.

Khi tế bào hoàn thành một thế hệ trong môi trường nhẹ, dải nặng ban đầu biến mất. Thay vào đó là một dải trung gian duy nhất, nằm ở mốc năm mươi phần trăm khoảng cách giữa hai vị trí tham chiếu nitơ-15 và nitơ-14. Khối lượng riêng trung gian này lập tức loại trừ mô hình nhân đôi bảo tồn, vì mô hình ấy đòi hỏi hai dải riêng biệt: một dải gồm các phân tử DNA mẹ hai mạch hoàn toàn nặng và một dải gồm các phân tử DNA con hai mạch hoàn toàn nhẹ. Nhưng kết quả chưa thể phân biệt mô hình bán bảo tồn với mô hình phân tán: cả hai đều dự đoán rằng sau một vòng sao chép, mỗi phân tử DNA sẽ chứa một nửa nitơ nặng và một nửa nitơ nhẹ.

Lần nhân đôi thứ hai phân định hai mô hình

Phép thử quyết định nằm ở diễn biến tiếp theo. Theo giả thuyết phân tán, thêm một vòng nhân đôi trong môi trường nhẹ sẽ tiếp tục làm loãng các nguyên tử từ DNA mẹ, khiến dải lai duy nhất dịch đến một vị trí trung gian còn nhẹ hơn. Theo giả thuyết bán bảo tồn, mỗi phân tử DNA lai hai mạch sẽ tách thành một mạch nặng và một mạch nhẹ. Mạch nặng làm khuôn tổng hợp một mạch nhẹ bổ sung, tạo ra một phân tử lai; mạch nhẹ làm khuôn tổng hợp một mạch nhẹ khác, tạo ra một phân tử hoàn toàn nhẹ. Mô hình bán bảo tồn dự đoán hai nhóm phân tử riêng biệt: một dải lai trung gian và một dải hoàn toàn nhẹ, xuất hiện với tỷ lệ bằng nhau.

Khi Meselson và Stahl lấy mẫu dịch ly giải vi khuẩn sau khoảng hai thế hệ — được ghi nhận là 1,9 thế hệ trong thí nghiệm chính của họ — ảnh chụp hấp thụ tia tử ngoại cho thấy đúng hai dải sắc nét. Một dải vẫn ở vị trí có khối lượng riêng của DNA lai, còn dải thứ hai trùng khớp chính xác với mẫu chuẩn nitơ-14. Đó chính là kiểu phân bố của mô hình bán bảo tồn, và nó loại trừ mô hình nhân đôi phân tán. Đến 4,1 thế hệ, dải lai vẫn còn nhưng cường độ tương đối giảm dần, trong khi dải nhẹ dần chiếm ưu thế.

Bằng chứng thay cho giả định

Meselson và Stahl công bố kết quả trên Proceedings of the National Academy of Sciences vào tháng 7 năm 1958. Cách họ thiết kế thí nghiệm gợi ra một câu hỏi thiết thực cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư: quan sát nào sẽ khiến những lời giải thích cạnh tranh đưa ra dự đoán khác nhau? Trong thí nghiệm này, thêm một thế hệ đã mang lại câu trả lời. Thế hệ đầu tiên cho một dải trung gian duy nhất; thế hệ thứ hai tạo ra hai dải riêng biệt, một trung gian và một nhẹ.

Bài liên quan

Đọc bằng ngôn ngữ khác: English