Две структурные особенности молекулы ДНК обеспечивают основу для механизмов наследственности: четыре нуклеотидных основания и ее двухцепочечная природа. Модель двойной спирали ДНК Уотсона-Крика, предложенная в 1952 году, в значительной степени опиралась на рентгеновскую кристаллографию исследователей Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса. В 1962 году за свою работу Уотсон, Крик и Уилкинс совместно получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Франклин была исключена из премии по причинам, которые все еще оспариваются.

Модель ДНК Уотсона-Крика очень просто предположила, что ДНК состоит из двух цепей нуклеотидов, которые закручиваются вокруг друг друга, образуя правовращающую спираль, и что спаривание нуклеотидов происходит между пурином и пиримидином.

Две цепи ДНК антипараллельны, а это значит, что 3’-конец одной нити обращен к 5’-концу другой. Это позволяет каждой ветви выступать в качестве матрицы для своего партнера во время репликации ДНК, создавая две новых цепи ДНК, которые полностью комплементарны друг другу. Однако не было ясно, происходит ли репликация ДНК таким образом.

Эксперимент Мезельсона и Сталя

Месельсон и Сталь выращивали E. coli в течение нескольких поколений в среде, содержащей “тяжелый” изотоп азота, ¹⁵N. Со временем тяжелый азот был включен в азотистые нуклеотидные основания и, таким образом, в ДНК. После этого E. coli помещали в среду, содержащую другой изотоп азота, ¹⁴N, и выращивали ещё несколько поколений. После каждого поколения образец ДНК выделяли из некоторых клеток, загружали в градиент и центрифугировали на высоких скоростях. В градиенте ДНК будет разделяться в соответствии с ее плавучей плотностью (т.е. плотностью внутри градиента, где ДНК будет плавать).

В ¹⁵N среде в нижней части центрифужной пробирки наблюдалась единственная полоса высокой плотности. Сразу же после переноса бактерий на “более легкую” среду эта одинарная полоса сдвинулась вверх в колонке, указывая на меньшую плотность. Однако последующие поколения привели к появлению двух полос: одна соответствует плотности ¹⁴N, а другая — в промежуточном положении. Этот результат можно объяснить только полуконсервативным способом репликации, что подтверждает модель Уотсона-Крика.