Die glykosidischen Verzweigungen im Stärkemolekül
Stärke ein sinnvoller Rohstoff:
Stärke ist als nachwachsender Rohstoff ein Naturprodukt, das
biologisch abbaubar und umweltfreundlich ist. Während Stoffe
wie Erdöl und Kohle nicht erneuerbar sind und ihre Reserven daher unweigerlich
dem Ende zugehen, können Pflanzen, die Stärke oder andere Rohstoffe
produzieren, immer wieder angebaut werden. Damit schlägt man zwei Fliegen
mit einer Klappe, denn zum einen ist Stärke ein umweltfreundliches,
vielseitiges Produkt, zum anderen bietet sie den Landwirten zu Zeiten der
Überproduktion von Nahrungsmitteln eine sinnvolle Alternative, ihr
Einkommen zu sichern. Stellt man mit Hilfe von Stärke Papier her, gibt
es noch einen weiteren umweltfreundlichen Aspekt: Stärke bindet Füllstoffe
und Farbpigmente weitestgehend in die Papierbahnen ein. Dadurch belastet
dieses Verfahren der Papierherstellung das verwendete Wasser weniger. Allerdings
ist Stärke nicht gleich Stärke: Denn je nach dem, von welcher
Pflanze die Stärke produziert wird, enthält sie unterschiedliche
Mengen an Amylopektin und Amylose. Darüber hinaus lagern sich Stoffe
wie Fette, Eiweiße und Wasser an. Im chemischen Sinne ist sie also
kein "reiner" (sauberer) Rohstoff. Daher kann die Industrie diesen
Stoff nicht immer so wie er ist direkt nutzen, sondern muss ihn reinigen
und oft chemisch verändern. Das belastet nicht nur Abwässer mit
Schadstoffen, sondern verbraucht auch Energie. Amylopektin findet am häufigsten
Verwendung: Es deckt 75 Prozent des industriellen Bedarfes ab, während
20 bis 25 Prozent auf die Amylose fallen. Die unterschiedlichen chemischen
Eigenschaften dieser beiden Stoffe bedingen auch völlig unterschiedlichen
Anwendungen: Amylopektin eignet sich als Kleister, während Amylose
ihre Verwendung in Filmen findet. Diese Vielseitigkeit macht die beiden
Komponenten der Stärke zu interessanten Rohstoffen für viele Zweige
der Industrie.
Stärkekörner aus den Knollen der Kartoffel färben sich mit einer jodhaltigen Lösung blau. Der Grund dafür ist, dass sie neben des Amylopektins auch die Amylose enthalten: Sie färbt sich blau. Die Schichtung der Körner läßt sich deutlich erkennen.
Pflanzen liefern Stärke:
Der Landwirt baut für die Erzeugung der Stärke bevorzugt Kartoffeln
an, denn sie liefern die besten Erträge pro Hektar. Der Mais und andere
Getreidearten folgen, während Erbsen und Bohnen den Schluß bilden.
Für den Mais sind Mutanten bekannt, die nur den einen oder nur den anderen Teil der Stärke bilden. Die Kartoffel besitzt allerdings vier Chromosomensätze (tetraploid). Daher ist es bislang züchterisch noch nicht gelungen, ähnliche Mutationen in der Kartoffel zu erhalten. Zwar gibt es eine sogenannte monohaploide Linie (das heißt für die Kartoffel, dass an Stelle zweier Chromoso-mensätze in der haploiden Form nur einer vorhanden ist) die keine Amylose herstellt, aber die Pflanzen bilden weniger Knollen und eignen sich somit nicht für die Produktion großer Mengen Amylopektins. Darüber hinaus sind sie nicht sehr vital.
Die Stärke wird in den Plastiden der Pflanze hergestellt. Zu ihnen gehören die grünen Chloroplasten, die Ort der Photosynthese sind, und die weißen Amyloplasten, die Re-servestärke speichern. An der Bildung der Stärke sind Proteine beteiligt -sogenannte Enzyme-, die die Reaktionen in Zellen er-möglichen. Für die Amylose sind zwei Grup-pen dieser biochemischen Katalysatoren be-kannt: die löslichen und die an Körnern aus Stärke gebundenen Stärkesynthasen.
Für die Kartoffel kennt man diese Enzyme und ihre Erbinformation. Das gebundene Enzym ist für die Bildung der Amylose in der Kartoffel verantwortlich. An diesem Enzym arbeiteten Wissenschaftler des MPIZ.
Bei gentechnisch veränderten Pflanzen ist das Gen für die gebundene Stärkesynthase mit Hilfe der Antisense- Strategie ausgeschaltet worden. Somit können sie keine Amylose mehr bilden. Das Amylopektin alleine färbt sich rot. Dadurch erscheinen die Stärkekörner dieser Pflanzen im Mikroskop rötlich. Die dunklen Stellen kommen durch die Brechung des Lichtes zustande.
Zu maßgeschneiderten Stärkegehalten und -zusammensetzungen durch
gentechnische Veränderungen:
Da die Veränderung der Zusammensetzung von Stärke in Kartoffeln
durch herkömmliche, klassische Züchtung bislang mißlang,
dachten sich die Molekularbiologen neue Wege aus. Für die Bildung von
Proteinen in Zellen sind Gene verantwortlich. Zum einen können Veränderungen
in der Abfolge der Bausteine (Basen) diese Gene ausschalten oder aber die
Funktion des Proteins zerstören. Dieses Ereignis kommt in der Natur
vor, kann aber auch im Labor herbeigeführt werden. Aber manche Gene
lassen sich auch mit anderen Methoden ausschalten. Wenn Zellen ein Protein
bilden, dann wird die Information eines Gens in der Form einer Matritze
als sogenannte einzelsträngige Boten-RNA (mRNA) abgeschrieben
(Transkription). Spezifische Organellen der Zelle, die sogenannten
Ribosomen, übersetzten diese RNA dann in Protein (Translation).
Die einzelsträngigen mRNAs bilden das Ziel der Antisense-Strategie.
Sie ermöglicht es, die Aktivität eines Genes zu verringern oder
sogar völlig zu unterdrücken. Mit Hilfe eines künstlichen
Gens, dessen RNA komplementär -also gegensinnig (antisense)-
zum Zielgen ist, blockiert man die mRNA des gewünschten Gens. Denn
nach einem Modell paaren sich diese beiden RNAs zu einem Doppelstrang, den
die Proteinmaschinerie der Zelle (Ribosomen) nicht mehr in Protein übersetzten
kann.
Eine andere Möglichkeit, Gene zu blockieren, sind Ribozyme. Dies sind Enzyme, die nicht aus Protein, sondern aus Ribonukleinsäure (RNA) bestehen. Einige Wissenschaftler gehen davon aus, dass solche Moleküle die ersten Enzyme in der Ursuppe waren. Diese Ribozyme können bestimmte RNAs zerschneiden. Entwickelt man also ein Ribozym, das spezifisch die mRNA des Ziel-Gens zerschneidet, dann besteht die Möglichkeit dieses Gen auszuschalten.
Der Weg zur amylosefreien Kartoffel:
Wie erwähnt ist die an Körnern gebundene Stärkesynthase (GBSS)
der Kartoffel für die Bildung der Amylose verantwortlich ist. Eine
Mutation in diesem Gen ist aus dem Mais bekannt. Sie führt zu einem
wachsähnlichen Aussehens des Maiskorns. Daher erhielt das Gen den Namen
"waxy". Ein Teil des Gens (Promotor) ist für seine
Regulation verantwortlich. Dieser Promotor bestimmt, wann, wieviel und wo
das Enzym gebildet wird. So bilden ausschließlich die Knollen der
Kartoffel die gebundene Stärkesynthase. Diese Regulationseinheit wurde
vor ein Antisense-Gen der gebundenen Stärkesynthase gesetzt. In eine
Kartoffelline, die für die Produktion von Stärke Verwendung findet,
brachten unsere Wissenschaftler dieses Gen gemeinsam mit einem Markergen
ein. Dieser Marker erlaubt es, unter einer Vielzahl von Zellen diejenigen
auszuwählen, die das neue Gen enthalten (siehe MPIZ aktuell
1996/1).
Die so gentechnisch veränderten Pflanzen zeigten im Mikroskop, dass ihre Stärkekörner keine Amylose enthalten. Ein sehr einfacher Test kann das beweisen: Stärke, die noch Amylose enthält, färbt sich in einer jodhaltigen Lösung blau, während Amylopektin alleine sich rot färbt.
Da neue Merkmale gentechnisch veränderter Pflanzen nicht immer stabil sind, müssen diese in mehreren Generationen getestet werden. Auch die Nachkommen dieser Kartoffeln zeigten das gleiche Merkmal. Diese Untersuchungen im Gewächshaus brachten also das gewünschte Ergebnis. Nun ist es wichtig, diese Ergebnisse unter Bedingungen im Freiland zu testen, da nur so gewährleistet ist, dass die neue Eigenschaft stabil ist und Umweltfaktoren keinen Einfluß nehmen (siehe dazu auch MPIZ aktuell 1996/1 ).
Auch die Methode der Ribozyme wurde benutzt. Dabei stellten unsere Mitarbeiter mehrere, verschiedene Ribozyme her. Der Test im Reagenzglas verlief positiv: Die Ribozyme zerschnitten ihre Ziel-RNA, die mRNA der gebundenen Stärkesynthase. In mehrere Kartoffelsorten, die man industriell zur Stärkeproduktion nutzt, führten unsere Wissenschaftler die Erbinformation für diese Ribozyme ein. Doch was im Reagenzglas so einfach erschien, ließ sich in der Pflanzenzelle nicht verwirklichen.
Dieser Versuch zeigt deutlich, dass auf dem Papier viele Wege zum gewünschten Ziel führen. Aber was im Reagenzglas klappt, muss in der lebenden Zelle noch lange nicht möglich sein. Daher ist es wichtig, viele verschiedene Ansätze in der Wissenschaft zu verfolgen und schließlich mit dem weiter zu arbeiten, der sich als der geeignetste herausstellt.