Tseesiumkloriidi tasakaaluline tihedusgradient-tsentrifuugimine

Tseesiumkloriidi (edaspidi CsCl) tasakaaluline tihedusgradient-tsentrifuugimine on molekulaarbioloogias laialdaselt levinud meetod, mille abil eraldatakse nukleiinhappeid olenevalt nende liikumiskiirusest tseesiumkloriidi gradiendis. 
Nukleiinhapped liiguvad gradiendis vastava punktini, kust nende ujuvtihedus on võrdne gradiendi vastava punkti tihedusega ja jäävad sellele tasemele, moodustades ühtse tsooni. Meetodi võtsid 1957. aastal kasutusele Matthew Meselson ja Franklin Stahl.

Ultratsentrifuugimine

Esimesed kiiresti pöörlevad tsentrifuugid võeti kasutusele juba 19. sajandi lõpus. Sel ajal jäi tsentrifuugide pöörete kiirus (ingl rounds per minute, lühendatult rpm) siiski suhteliselt madalaks, sest probleeme valmistas rootori ja rootorivarre sünkroonis liikumine. Kui sünkroonsus hakkas kaduma, siis muutus rootori liikumine rootorivarrel ebastabiilseks, mis tõi kaasa rootori värisemise. Sellise ebastabiilsuse tõttu ei saadud teha tööd suurtel kiirustel, sest liigne rootori värisemine teeks tsentrifuugi katki. Seetõttu ei saadud uurida makromolekule, kuna polnud piisavalt head tehnikat. Probleemi lahendas Theodor H. E. Svedberg, kes lõi esimese tõelise ultratsentifuugi. Svedbergi tsentrifuugil oli paindumatu rootorivars, mis suutis madalal rõhul pöörelda kuni 42 000 pööret minutis. See kiirus oli juba piisavalt suur, et saaks uurida makromolekule ja nende sadestumist. Svedberg avastas ka esimesena ribosoomide subühikud. Jessie Beam arendas välja ilma rootorivarreta ultratsentifuugi, mille rootoreid ajas ringi õhk. Sellise rootori ainus takistus oligi rootori enda võimsus. Tsentrifuugi hoiab ülekuumenemise ja rootori välja lendamise eest vaakum, mis tekitab madala rõhu (< 20 mikronit).

CsCl gradiendiga makromolekulide sadestamine

Ultratsentrifuugimise abil sai 1920ndatel eristada erineva suuruse ja kaaluga osakesi. Meetodi suur puudus oli see, et paljud makromolekulid on sarnase suuruse ja kaaluga, kuid erineva tihedusega. Selliste makromolekulide (valgud, nukleiinhapped) eraldamiseks polnud ainult sukroosilahuses tsentrifuugimine piisavalt tundlik. 1951. aastal avaldas Myron K. Brakke meetodi, millega eraldada valke.
1957. aastal tulid M. Meselson ja Franklin W. Stahl välja meetodiga, mis suutis eristada erinevaid nukleiinhappeid nende tiheduse järgi. CsCl lahuse kasutamise eelis oli suur tundlikkus. Meetodiga oli võimalik eristada ka DNA-sid, mille tiheduse erinevus on väiksem kui 0,001 g/cm³. Stahli meetodi erisus seisnes selles, et CsCl soolalahus on suhteliselt raske, sest tseesium on raske metall, samas ei interakteeru CaCl DNA-ga ega muuda ka selle keemilisi või füüsikalisi omadusi. Ultratsentrifuugis lükatakse tseesiumi osakesi rootori südamikust kaugemale, nii muutub osakeste tihedus rootori südamikust kaugemale minnes suuremaks ja lahuse tihedus kasvab , seejuures ei teki tuubi seinale tseesiumi sadet, sest tseesium lahustub alati tagasi lahusesse. Nukleiinhapped on suured molekulid ja lükatakse tsentrifugaaljõudude mõjul lahuses rootori südamikust eemale. Kui tsentrifugaaljõud tasakaalustuvad lahuse tihedusgradiendi poolt tekitatud vastupidiste jõududega, jäävad nukleiinhapped tasakaalustunud punkti. Sellise tasakaalupunkti saavutamine nõuab tsentifuugimist suurtel pööretel ja mitukümmend tundi. Kui lahuses on mitu erinevat DNA-d, moodustavad need kõik erinevad tasandid, mis on nähtavad pikalainelises ultraviolettkiirguses, mille lainepikkus on 385 nanomeetrit. Suletud viaalist võetakse proovid välja kas viaali põhja tehtud augu kaudu või tõmmatakse soovitud kohast välja süstlaga. Tihti lisatakse ka spetsiifilisi ultraviolettvalguses helendavaid DNA-ahelasse interkaleeruvaid värve, näiteks etiidiumbromiidi.

Meetodi kasutus molekulaarbioloogias

CsCl tihedusgradient-tsentrifuugimise abil tõestasid Meselson ja Stahl, et DNA replitseerub semikonservatiivselt.  Nad kasvatasid bakterit Escherichia coli söötmel, millel oli radioaktiivne lämmastik N15 (raskem kui tavaline lämmastik N14) ja võtsid proove erinevatel generatsiooniaja punktidel. Analüüsides tulemusi CsCl gradiendil tsentrifuugimisega, jõudsid nad järeldusele, et DNA pärandub semikonservatiivselt, sest gradiendis tekkis kaks selgelt eristunud kihti, mis oli tingitud ühe ahela suuremast tihedusest.
CsCl tihedusgradient-tsentrifuugimist saab kasutada ka mitokondriaalse DNA (edaspidi mtDNA) eraldamiseks totaalsest DNA-st (kromosomaalne DNA koos mitokondriaalse DNA-ga). 
Meetod on kasutusel ka tänapäeval, kui on vaja eraldada 100% puhas mtDNA. CsCl lahuses moodustub 24–48 tunni järel tsentifuugimisel kiirusel 40 000 – 50 000 pööret minutis kaks selgelt eristunud kihti, millest ülemine kiht on mtDNA. Meetodiga on võimalik uurida ka pärmide kääbusmutante, sest katse modifitseerimisega ja etiidiumbromiidi lisamisega tekib CsCl lahusesse kolmas kiht, mis on mtDNA all, sest terve hingamisahelaga mtDNA on konkatemeer, kuid kääbusmutantides on DNA rõngakujuline. See on seotud kääbusmutantide eripäraga, kus rakke mutageeniga modifitseerides moodustub uus mtDNA, kus teatud osa mtDNAst (umbes 1% kogu mtDNA-st) moodustab rekombinatsiooni teel tavapärase konkatemeerse mtDNA asemel rõngakujulise mtDNA.
1980ndatel oli CaCl tihedusgradient-tsentifuugimine peamine meetod, kuidas eraldati plamiide, mis olid puhtad muust DNA ja RNA saastusest. Selliseid plasmiide kasutati genoomide kaardistamiseks.
Tänapäevani on CsCl tihedusgradient-tsentrifuugimine tihedalt kasutatav meetod viroloogias, kus terveid viiruse partikleid puhastatakse CsCl gradiendil, et saada 100% puhas viirusekultuur. Viroloogias on seda meetodit arendatud nii kaugele, et suudetakse puhastada viiruseid suspensioonist ka tavapärase tsentrifuugimisega, kuigi sellisel juhul pole saagis nii kõrge.