Model replikacije DNA predložili su Watson i Crick: dva roditeljska lanca se odmataju i odvajaju zbog pucanja vodikovih veza između baza, te svaki lanac služi kao kalup za sintezu novog komplementarnog lanca. Rezultat replikacije su dvije identične molekule kćeri i svaka je identična kopija originalne dvostruke uzvojnice
Mathew Meselson i Franklin Stahl su 1958. izveli pokuse kojima su testirali tri hipoteze replikacije DNA (slika 10.7.):
semikonzervativnu,
konzervativnu (cijela dvostruka uzvojnicu služi kao kalup za novu molekulu DNA)
disperzivnu (dva originalna lanca se razgrađuju i iz njih nastaju potpuno novi lanci – uključuje sve što nije konzervativno i semi-konzervativno)
Eksperimentalno su dokazali semikonzervativni model replikacije kod E. coli. U pokusu je korištena sinkrona kultura stanica što znači da su sve stanice u istoj fazi reproduktivnog ciklusa. Prije svake diobe, DNA se replicira te je stoga moguće pratiti cikluse replikacije DNA praćenjem vremena udvostručavanja broja stanica.
Slika 10.7. A. Konzervativna replikacija. B. Semikonzervativna replikacija. C. Disperzivna replikacija.
Meselson i Stahl su uzgajali bakterije kroz nekoliko generacija na podlozi s teškim izotopom dušika (15N). Tijekom replikacije taj se dušik ugrađuje u molekulu DNA, te stoga nakon izolacije DNA i centrifugiranja u gradijentu gustoće CsCl2 nastaje “teški band” (zbog “teškog” dušika) (slika 10.9.). Naime kada se DNA izolira iz bakterija i centrifugira u otopini CsCl2, ona će stvarati prugu (“band”) na onom mjestu gdje se njena gustoća (gustoća DNA) poklapa s gustoćom molekula soli. Sol stvara gradijent gustoće koji se povećava od vrha prema dnu epruvete (na vrhu je najmanja gustoća, na dnu je najveća gustoća). Bakterije su potom presađene na podlogu s lakim izotopom dušika (14N). Nakon 20 minuta (prva generacija) centrifugiranjem u gradijentu gustoće dobivene su molekule DNA čija je gustoća bila između gustoće teškog izotopa i lakog izotopa dušika što dokazuje semikonzervativni model replikacije. Jedan lanac DNA je imao ugrađen teški izotop dušika, a drugi novosintetizirani lanac laki izotop dušika. Nakon 40 minuta kulture (druga generacija) 50 % molekula DNA je bilo hibridno, a 50 % je imalo ugrađeni samo laki izotop dušika itd. (slika 10.8.).
Slika 10.8. Meselson-Stahlov eksperiment (slika preuzeta s: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/14-3-basics-of-dna-replication).
Semikonzervativnu replikaciju kod eukariota su dokazali Taylor, Woods i Hughes 1957. godine na stanicama vrška korijena vrste Vicia faba. Taylor i suradnici su uzgajali korjenčiće u prisutnosti radioizotopa 3H-timidina koji se ugrađuje u DNA za vrijeme replikacije. Nakon jedne generacije korjenčići su prebačeni u medij bez radioaktiviteta. Dioba stanica je zaustavljena u metafazi pomoću citostatika kolhicina te je napravljena analiza kromosoma autoradiografskom tehnikom. Dobiveni rezultati su bili kompatibilni sa semikonzervativnim mehanizmom replikacije. Naime u prvoj metafazi (nakon prve replikacije u mediju sa 3H-timidinom) obje sestrinske kromatide bile su radioaktivne jer svaka kromatida ima jedan stari neobilježeni lanac i jedan novi radioaktivni lanac. Nakon drugog ciklusa replikacije u neradioaktivnom mediju u metafazi je samo jedna od dvije sestrinske kromatide bila obilježena.