Expérience de Meselson et Stahl
Publié le 30/04/2002

Auteurs : Roger Prat et Gilles Furelaud


Table des matières

  1. Introduction
  2. Le problème à résoudre
  3. Les hypothèses
  4. L'expérience : résultats observés
  5. L'expérience : comparaison avec les modèles
  6. Conclusion

1. Introduction

Cette expérience date de 1958. Elle permet de démontrer le caractère semi-conservatif de la multiplication de la molécule d'ADN chez les bactéries. Cette expérience a pu être réalisée grâce à plusieurs mises au points techniques :

  1. Meselson et Stahl mettent au point une technique d'obtention de gradient de densité par centrifugation. En utilisant du chlorure de Césium de densité moyenne 1,72, ils obtiennent après 24h de centrifugation à grande vitesse un gradient de densité (environ de 1,70 à 1,75), gamme qui englobe la densité de l'ADN (1,710).
  2. Ils cultivent les bactéries dans un milieu dans lequel les substances organiques utilisées comme source d'azote contiennent de l'azote lourd (15N). Au cours de la culture, toutes les molécules azotées et en particulier l'ADN contiennent une forte proportion d'azote 15N. L'ADN "lourd" a une densité de 1,724 et peut être distingué de l'ADN "léger" (1,710).
  3. Ils mettent au point une méthode qui permet de synchroniser pendant quelques générations la division des bactéries.

2. Le problème à résoudre

Depuis Watson et Crick (1953), on sait que l'ADN est une molécule formée de deux brins antiparallèles, formant une double hélice. Dès leur publication originale sur la structure de l'ADN, Watson et Crick ont proposé que cette double hélice puisse s'ouvrir, permettant ainsi la synthèse de nouveaux brins, complémentaires des brins originaux.

L'ADN peut ainsi servir de matrice à sa propre réplication, étape essentielle du cycle cellulaire. Cette duplication de l'ADN (et donc des chromatides) permet de passer de chromosomes à une chromatide à des chromosomes possédant deux chromatides identiques, portant la même information génétique. Lors de la mitose, ces deux chromatides sont réparties, chaque cellule - fille héritant d'une chromatide de chaque chromosome. On obtient ainsi deux cellules possédant la même information génétique que la cellule - mère.

Le problème qui se posait à Meselson et Stahl était alors de comprendre comment se réalisait cette réplication : selon quelles modalités passe-t-on d'une molécule d'ADN formée de deux brins à deux molécules d'ADN bicaténaires identiques ?

3. Les hypothèses

Pour expliquer la duplication d'un ADN bicaténaire, trois modèles ont été proposés. Ces modèles se basent tous sur l'utilisation de la molécule d'ADN "mère" comme matrice pour sa réplication, mais selon des modalités différentes :

Figure 1 : Devenir de l'ADN chez trois générations de cellules successives selon les trois hypothèses de mode de réplication de l'ADN
Modèle conservatif réplication ADN
Modèle semi-conservatif réplication ADN
Modèle dispersif réplication ADN

Hypothèse 1: modèle conservatif

A partir d'une molécule d'ADN bicaténaire "mère", on forme une nouvelle molécule d'ADN bicaténaire.

On garde donc ici une molécule "mère", non modifiée (elle est donc conservée), tout en "créant" une nouvelle molécule ("fille").

Hypothèse 2: modèle semi-conservatif

On dissocie les deux brins de la molécule d'ADN biacténaire "mère".

Chaque brin sert donc de matrice à la synthèse d'un brin complémentaire, l'ensemble reformant une molécule d'ADN bicaténaire. Chaque nouvelle molécule "fille" ne conserve donc que la moitié de la molécule "mère".

Hypothèse 3: modèle dispersif

On ne conserve aucun brin intact.

La copie se réalise par fragments dispersés dans l'ensemble de l'ADN, permettant de former les deux molécules d'ADN bicaténaires "filles".

Légendes :
Couleur rouge : Molécule d'ADN "mère" et son devenir.
Couleur bleue : ADN néo-formé.

4. L'expérience : résultats observés

Des bactéries cultivées depuis longtemps en présence de molécules azotées 15N sont repiquées sur un milieu contenant des molécules azotées 14N et permettant la synchronisation des divisions. Des fractions sont prélevées après différents temps correspondant à 1, 2, 3, ... divisions. L'ADN est extrait, placé dans la solution de chlorure de Césium et centrifugé 24h à 100.000 g. La position des ADN est repérée par une mesure de la densité optique.

Figure 2 : Position des différentes bandes aux cours du temps dans l'expériences de Meselson et Stahl
Position des différentes bandes au cours du temps dans l'expérience de Meselson et Stahl (version noir et blanc)
Position des différentes bandes au cours du temps dans l'expérience de Meselson et Stahl (version en couleur)
Les chiffres donnent le nombre de divisions.

Après une génération, tout l'ADN est hybride (du point de vue de sa densité). Il n'y a plus d'ADN 15N. Ensuite, l'ADN hybride disparaît progressivement au profit d'ADN "léger" (14N).

5. L'expérience : comparaison avec les modèles

L'expérience de Meselson et Stahl montre donc la présence d'un ADN hybride au bout d'une génération cellulaire. Or, qu'attend-on pour les trois modèles proposés ?

Figure 4 : Les résultats après une générations dans l'expérience de Meselson et Stahl
ADN hybride Meselson et Stahl
ADN lourd (15N)
et
ADN léger (14N)
Meselson et Stahl
ADN hybride
(molécules formées d'un brin lourd et d'un brin léger)
Meselson et Stahl
ADN hybride
Résultat observé Résultat attendu pour le modèle conservatif Résultat attendu pour le modèle semi-conservatif

Résultat attendu pour le modèle dispersif

On peut donc, dès cette première observation, rejeter le modèle conservatif.

Au bout de deux générations cellulaires, Meselson et Stahl observent la présence d'ADN hybride et d'ADN léger. Ceci permet de conclure quant aux deux modèles restants :

Figure 5 : Les résultats après deux générations dans l'expérience de Meselson et Stahl
ADN hybride
et
ADN léger
Meselson et Stahl
ADN hybride
et
ADN léger
Meselson et Stahl
ADN hybride
Résultat observé Résultat attendu pour le modèle semi-conservatif Résultat attendu pour le modèle dispersif

En conclusion, seul le modèle semi-conservatif permet d'aboutir à des résultats attendus correspondant aux résultats observés.

6. Conclusion

L'expérience de Meselson et Stahl permet donc de mettre en évidence le fait que la réplication se réalise selon un mode semi-conservatif.

Figure 6 : Représentation schématique de la population de fragments d'ADN au cours des générations
Reprérentation schématique de la population de fragments d'ADN au cours des générations dans l'expérience de Meselson et Stahl
Après 1 génération tout l'ADN est "hybride" et constitué d'un brin "lourd" (15N) et d'un brin "léger" (14N).

Cette conclusion a été depuis confirmée par des études plus précises, pour aboutir au modèle actuel de fonctionnement de la réplication.

Quelques points importants de cette expérience sont à noter : Tout d'abord le fait qu'il est nécessaire de séparer les ADN sur un gradient permettant de mettre en évidence leurs très faibles différences de densités; une "simple" centrifugation ne suffit pas. L'utilisation d'un gradient de Chlorure de Césium est donc un point fondamental du protocole. De même, ces observations n'ont été possibles que parce que Meselson et Stahl avaient réussi à obtenir des populations de bactéries synchrones (pendant quelques générations).

De nombreux auteurs (et en particulier des manuels scolaires de Première S - nouveau programme) omettent ces points fondamentaux... Ce qui fait perdre tout sens à leurs conclusions...