a. Thí nghiệm này được thiết kế để chứng minh nguyên tắc nào của quá trình nhân đôi DNA? Giải thích.
Thí nghiệm chứng minh nguyên tắc nhân đôi bán bảo tồn (semi-conservative replication).

Giải thích:

Mỗi phân tử DNA con sau khi nhân đôi gồm:1 mạch cũ của DNA mẹ.
1 mạch mới được tổng hợp từ môi trường.
Khi chuyển vi khuẩn từ môi trường chứa ¹⁵N sang ¹⁴N:Mạch cũ vẫn chứa ¹⁵N.
Mạch mới chứa ¹⁴N.
Vì vậy sau lần nhân đôi đầu tiên, tất cả DNA đều có tỷ trọng trung gian (¹⁵N–¹⁴N), phù hợp với mô hình nhân đôi bán bảo tồn.

b. Tại thời điểm 20 phút và 40 phút nuôi cấy, băng B chiếm bao nhiêu phần trăm? Giải thích.
Giả sử:

Băng A: DNA nặng (¹⁵N–¹⁵N).
Băng B: DNA lai (¹⁵N–¹⁴N).
Băng C: DNA nhẹ (¹⁴N–¹⁴N).
Sau 20 phút (1 lần nhân đôi)
Toàn bộ DNA nặng chuyển thành DNA lai.
→ 100% DNA ở băng B.

Sau 40 phút (2 lần nhân đôi)
Mỗi DNA lai tạo ra:1 DNA lai.
1 DNA nhẹ.
Tổng số DNA:

50% DNA lai.
50% DNA nhẹ.
→ Băng B chiếm 50%.

Chào bạn, đây là một trong những thí nghiệm kinh điển và đẹp đẽ nhất của sinh học phân tử nhằm chứng minh cơ chế nhân đôi của DNA. Dựa trên các dữ kiện bạn đưa ra, chúng ta cùng giải quyết từng câu hỏi nhé:

a. Nguyên tắc của quá trình nhân đôi DNA
Nguyên tắc được chứng minh: Thí nghiệm này nhằm chứng minh nguyên tắc bán bảo tồn (bán bảo toàn - semi-conservative) của quá trình nhân đôi DNA.
Giải thích nguyên tắc: Theo nguyên tắc này, khi một phân tử DNA nhân đôi, hai mạch đơn của nó sẽ tách nhau ra. Mỗi mạch đơn sẽ đóng vai trò là mạch khuôn để tổng hợp nên một mạch mới hoàn toàn dựa trên nguyên tắc bổ sung. Kết quả là tạo ra hai phân tử DNA con, trong đó mỗi phân tử DNA con đều chứa một mạch cũ (mạch khuôn từ phân tử mẹ) và một mạch mới tổng hợp.
b. Tỷ lệ phần trăm của băng B tại thời điểm 20 phút và 40 phút
Để trả lời chính xác, chúng ta cần phân loại 3 loại băng DNA dựa trên tỷ trọng sau khi ly tâm:

Băng A (Nặng): Cả 2 mạch đều chứa $^{15}\text{N}$ (nằm dưới cùng).
Băng B (Trung gian - Hybrid): Gồm 1 mạch chứa $^{15}\text{N}$ và 1 mạch chứa $^{14}\text{N}$ (nằm ở giữa).
Băng C (Nhẹ): Cả 2 mạch đều chứa $^{14}\text{N}$ (nằm trên cùng).
Vì ban đầu vi khuẩn được nuôi trong $^{15}\text{N}$ qua nhiều thế hệ, nên toàn bộ DNA ban đầu đều có 2 mạch $^{15}\text{N}$. khi chuyển sang môi trường $^{14}\text{N}$:

Tại thời điểm 20 phút (sau 1 lần nhân đôi):

Từ 1 phân tử DNA mẹ ($^{15}\text{N}\text{-}^{15}\text{N}$) sẽ tạo ra 2 phân tử DNA con.
Theo nguyên tắc bán bảo tồn, cả 2 phân tử con này đều là dạng lai ($^{15}\text{N}\text{-}^{14}\text{N}$), tức là thuộc băng B.
Kết luận: Băng B chiếm 100%.
Tại thời điểm 40 phút (sau 2 lần nhân đôi - tức là thêm 1 lần nữa từ thời điểm 20 phút):

Từ 2 phân tử DNA lai ($^{15}\text{N}\text{-}^{14}\text{N}$) tiến hành nhân đôi lần thứ 2 trong môi trường $^{14}\text{N}$.
Tổng số phân tử DNA tạo ra là $2^2 = 4$ phân tử.
Trong đó, 2 mạch chứa $^{15}\text{N}$ ban đầu tách ra và tạo nên 2 phân tử DNA lai ($^{15}\text{N}\text{-}^{14}\text{N}$, thuộc băng B).
Các mạch $^{14}\text{N}$ còn lại sẽ tổng hợp mạch mới hoàn toàn bằng $^{14}\text{N}$, tạo nên 2 phân tử DNA nhẹ ($^{14}\text{N}\text{-}^{14}\text{N}$, thuộc băng C).
Kết luận: Băng B chiếm tỷ lệ là: $\frac{2}{4} = 50\%$.
c. Thay đổi ở thời điểm 80 phút
Câu trả lời: Số lượng phân tử DNA ở băng B KHÔNG THAY ĐỔI so với thời điểm 40 phút (vẫn cố định là 2 phân tử DNA lai trên mỗi mạch khuôn ban đầu). Tuy nhiên, tỷ lệ phần trăm của băng B sẽ giảm xuống.
Giải thích: * Tại thời điểm 80 phút, vi khuẩn đã trải qua 4 lần nhân đôi ($80 / 20 = 4$). Tổng số phân tử DNA lúc này là $2^4 = 16$ phân tử.

Vì môi trường nuôi cấy hoàn toàn là $^{14}\text{N}$, nên 2 mạch chứa $^{15}\text{N}$ từ phân tử ban đầu vẫn chỉ có thể tạo ra tối đa 2 phân tử DNA lai ($^{15}\text{N}\text{-}^{14}\text{N}$, thuộc băng B).
14 phân tử còn lại hoàn toàn là DNA nhẹ ($^{14}\text{N}\text{-}^{14}\text{N}$, thuộc băng C).
Do đó, dù số lượng tuyệt đối của băng B luôn giữ nguyên là 2, nhưng do tổng số phân tử DNA tăng lên, nên tỷ lệ phần trăm của băng B lúc này giảm xuống chỉ còn $\frac{2}{16} = 12,5\%$.