Duas características estruturais da molécula de DNA fornecem uma base para os mecanismos de hereditariedade: as quatro bases nucleótidos e a sua natureza de duas cadeias. O modelo Watson-Crick da estrutura helicoidal dupla do DNA, proposto em 1952, baseou-se fortemente no trabalho de cristalografia por raios X dos investigadores Rosalind Franklin e Maurice Wilkins. Watson, Crick, e Wilkins receberam em conjunto o Prémio Nobel de Fisiologia ou Medicina pelo seu trabalho em 1962. Franklin foi, de forma controversa, excluída do prémio por razões que ainda são debatidas.

O modelo Watson-Crick de DNA, de uma forma muito simples, propôs que o DNA é composto por duas cadeias de nucleótidos que se enrolam em torno uns dos outros para formar uma hélice destra e que o emparelhamento de nucleótidos ocorre entre uma purina e uma pirimidina.

As duas cadeias de DNA são antiparalelas, o que significa que a extremidade 3’ de uma cadeia está virada para a extremidade 5’ da outra. Isto permite que cada cadeia funcione como um molde para a sua parceira durante a replicação do DNA, produzindo duas novas cadeias de DNA que são exactamente complementares uma da outra. No entanto, se a replicação do DNA ocorria ou não dessa forma não era claro.

A Experiência de Meselson e Stahl

Meselson e Stahl cresceram E. coli durante várias gerações em um meio contendo um isótopo “pesado” de Nitrogénio, ¹⁵N. Com o tempo, o Nitrogénio pesado foi incorporado nas bases de nucleótidos nitrogenadas e, portanto, no DNA. Depois disso, as E. coli foram colocadas em um meio contendo um isótopo diferente de Nitrogénio, ¹⁴N, e mantidas por mais várias gerações. Após cada geração, uma amostra de DNA foi isolada de algumas células, carregada em um gradiente, e centrifugada a altas velocidades. Em um gradiente, o DNA separa-se de acordo com a sua densidade flutuante (ou seja, a densidade dentro do gradiente na qual o DNA flutuará).

No meio com ¹⁵N, uma única banda de alta densidade foi observada na porção inferior do tubo de centrífuga. Imediatamente após as bactérias terem sido transferidas para o meio “mais leve”, esta banda individual deslocou-se para cima na coluna, indicando uma densidade mais baixa. No entanto, as gerações seguintes resultaram em duas bandas: uma correspondente à densidade de ¹⁴N e outra em uma localização intermédia. Este resultado só podia ser explicado por um modo semi-conservador de replicação, validando assim o modelo de Watson-Crick.