Stärke ist ein pflanzlicher Reservestoff, der in Form von Stärkekörnern in Speicherorganen von Pflanzen (Körner, Knollen, Wurzeln oder Mark) angereichert wird. Stärke wird sowohl im Lebensmittel - als auch im technischen Bereich in breitem Umfang eingesetzt. Die landwirtschaftliche Erzeugung von stärkehaltigen Rohstoffen erfolgt in Deutschland durch den Anbau von Kartoffel, Weizen und Körnermais. In der Zukunft könnten die Markerbse und Neuzüchtungen mit sehr hohem Amylose- ("Amylo-Mais") oder Amylopektinanteil (z. B. Amylose-freie Kartoffel) Bedeutung erlangen, da sich hierdurch verarbeitungs- und anwendungstechnische Vorteile ergeben. Hinsichtlich der Verwendung werden drei wesentliche Produktlinien unterschieden - native Stärke (Papier, Pappe, Leime, Kleber, Gipskartonplatten, Textilverarbeitung, Kosmetika), - modifizierte Stärke (Lacke, Streichfarben, Bindemittel (Quellstärken), kationische Stärken, Papier, Pappe, Tabletten, Stärkeether und -ester) etc. sowie - Verzuckerungsprodukte (Tenside, Sorbit, Kunststoffe, Vitamin C, Alkohole, Biotechnologie).
Das Projekt "Stärke für die Papierindustrie - Optimierung der Bindekraft von Stärke beim Streichen von Papier und Karton (504)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Papiertechnische Stiftung München durchgeführt. Ziel des Projekts ist die Einstellung der Pigmentaffinität von Stärken. Damit sind die unerwünschten Migrationserscheinungen der Stärke etc. zu verringern, so dass ein insgesamt höherer Anteil an Stärke im gestrichenen Papier zum Einsatz kommen kann. Es werden Stärken mit unterschiedlichen Verhältnissen an Amylose zu Amylopektin für die Untersuchungen herangezogen. Ausgehend von zunächst Stärkefreien Streichfarben, die den Benchmark darstellen, werden im Labor- und Technikumsmaßstab Streichfarben mit stufenweise ansteigenden Stärkeanteilen vergleichend gegenüber gestellt. Dabei kommt den Untersuchungen der Pigmentaffinität und Migration der Stärken entscheidende Bedeutung zu, um die Stärkemenge hinsichtlich der erreichbaren Papierqualität optimieren zu können. Die Ergebnisse werden in Papierfabriken unter Produktionsbedingungen überprüft und bewertet. Stärke ist gegenüber synthetischer Latexprodukte das preisgünstigere Produkt, so dass neben einer Erhöhung des Anteils nachwachsender Rohstoffe auch wirtschaftliche Vorteile für die Papierproduzenten erreicht werden können. Neue Stärkemodifikationen können neue Einsatzgebiete ermöglichen.
Das Projekt "Teilvorhaben 1: Züchtung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von BIOPLANT - Biotechnologisches Forschungslabor GmbH durchgeführt. Kartoffelstärke zeigt aufgrund geringerer Verunreinigungen mit Nebenbestandteilen wie Fett und Eiweiß und einem höheren Phosphorylierungsgrad Vorteile gegenüber anderen pflanzlichen Stärkearten. Kartoffelstärke besteht zu 20 Prozent aus der unverzweigten Amylose und zu 80 Prozent aus dem hochverzweigten Amylopektin. Beide Moleküle eignen sich hervorragend für unterschiedliche technische Anwendungen, so dass die Züchtung von Amylose- und Amylopektinsorten wichtige Züchtungsziele sind. Diese Stärkequalitäten können nun weiter optimiert werden durch die Inaktivierung weiterer Gene, die für diverse Stärke-modifizierende Enzyme kodieren. Durch die Inaktivierung von Genen solcher Enzyme, die an der Stärkebiosynthese beteiligt sind, wird erreicht, dass jeweils nur eine der Stärkequalitäten gebildet wird und diese ggf. in einer weiterhin modifizierten Form. Aufwändige Aufreinigungsprozesse zur Auftrennung der Stärkekomponenten und weitere chemische Modifizierungsprozesse fallen fort. Deshalb sollen mittels einer EMS-Mutagnese und der anschließenden Hochdurchsatz-Sequenzierung neue Allele gefunden werden, die für schwach aktive bzw. inaktive Stärke-modifizierenden Enzyme kodieren.
Das Projekt "Teilvorhaben 2: Erbgut-Analytik" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie durchgeführt. Kartoffelstärke zeigt aufgrund geringerer Verunreinigungen mit Nebenbestandteilen wie Fett und Eiweiß und einem höheren Phosphorylierungsgrad Vorteile gegenüber anderen pflanzlichen Stärkearten. Kartoffelstärke besteht zu 20 Prozent aus der unverzweigten Amylose und zu 80 Prozent aus dem hochverzweigten Amylopektin. Beide Moleküle eignen sich hervorragend für unterschiedliche technische Anwendungen, so dass die Züchtung von Amylose- und Amylopektinsorten wichtige Züchtungsziele sind. Diese Stärkequalitäten können nun weiter optimiert werden durch die Inaktivierung weiterer Gene, die für diverse, Stärke-modifizierende Enzyme kodieren. Durch die Inaktivierung von Genen solcher Enzyme, die an der Stärkebiosynthese beteiligt sind, wird erreicht, dass jeweils nur eine der Stärkequalitäten gebildet wird und diese ggf. in einer weiterhin modifizierten Form. Aufwändige Aufreinigungsprozesse zur Auftrennung der Stärkekomponenten und weitere chemische Modifizierungsprozesse fallen fort. Deshalb sollen mittels einer EMS-Mutagenese und der anschließenden Hochdurchsatz-Sequenzierung neue Allele gefunden werden, die für schwach aktive bzw. inaktive Stärke-modifizierende Enzyme kodieren.
Das Projekt "Untersuchungen zur Frosttoleranz von gentechnisch veränderten Kartoffeln mit erhöhtem Amylopektingehalt und Toleranz gegenüber Phytophthora infestans" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V., Institut für Landschaftsbiogeochemie durchgeführt. Das Überdauerungsvermögen der Kulturkartoffel (Solanum tuberosum) über Winter wird als Sicherheitsrisiko bei der Freisetzung und beim Anbau transgener Kartoffeln diskutiert. Pflanzen bzw. Knollen von Solanum tuberosum besitzen nur eine geringe Frosttoleranz und sterben im Gegensatz zu einigen Wildkartoffelformen bereits bei Temperaturen unter - 2,0 Grad CC vollständig ab. Unter den Bedingungen milder Winter kann es jedoch zum Überdauern nicht geernteter Knollen und somit zur bekannten Durchwuchsproblematik kommen. Darüber hinaus könnten sich züchterische und/oder gentechnische Veränderungen des Grundstoffwechsels auf die Frosttoleranz der Knollen auswirken. Im Projekt soll auf der Basis von Frostfestigkeitstests geklärt werden, ob bzw. inwieweit sich gentechnisch veränderte Kartoffelpflanzen mit erhöhtem Amylopektingehalt bzw. Toleranz gegenüber Phytophthora infestans in ihrer Kältetoleranz von der nicht transgenen Ausgangssorte unterscheiden. Zur Bewertung/Einordnung der Ergebnisse werden parallel drei konventionelle Sorten untersucht bzw. Daten aus der Literatur herangezogen.
Das Projekt "Entwicklung eines innovativen biotechnologischen Verfahrens zur Produktion hochwertiger Kohlenhydrate aus nachwachsenden Rohstoffen durch erstmaligen Einsatz des ext" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Hamburg-Harburg, Arbeitsbereich Technische Mikrobiologie durchgeführt. Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Aufgrund seines breiten Substratspektrums nimmt das thermoalkaliphile Bakterium Anaerobranca gottschalkii (vormals bogoriae) eine Sonderstellung unter allen extremophilen Mikroorganismen ein und verfügt über eine Fülle von biotechnologisch interessanten Enzymen. Ziel des Projekts war es, durch den Einsatz von Biokatalysatoren aus diesem Mikroorganismus nachwachsende Rohstoffe wie Stärke bzw. Amylopectin und Amylose zu hochwertigen Kohlenhydraten (Cyclodextrine, verzweigte Dextrine und Oligosaccharide) umzusetzen. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden: Das Genom des thermoalkaliphilen Bakteriums Anaerobranca gottschalkii wurde zunächst partiell sequenziert. Ziel des Teilprojekts war es, unter geringstem möglichem Aufwand und innerhalb kürzester Zeit alle oder möglichst viele Gene des Kohlenhydratstoffwechsels zu identifizieren. Die partielle Genomanalyse erfolgte über eine so genannte shotgun-Seqenzierung. Dabei wurde die genomische DNA mechanisch geschert, kloniert und an den Fragmentenden sequenziert. In 14.865 Sequenzierungsansätzen wurden 11.634 brauchbare Sequenzen mit einer Rohsequenz von 11,97 Mbp generiert. Die produzierten Sequenzfragmente wurden in einer Datenbank zusammengefasst und assembliert. Anschließend erfolgte die bioinformatische Auswertung über eine automatisch vorgenommene und manuell nachbearbeitete Annotation. Sequenzlücken in biotechnologisch relevanten Genen wurden durch Primerwalking geschlossen. Den Projektteilnehmern wurden Passwortgeschützte Zugangsrechte auf den die Sequenzinformationen enthaltenen Server eingerichtet. Mit Hilfe dieser Sequenzinformation wurden Gene ausgewählter Kohlenhydrat-metabolisierender Gene kloniert und exprimiert und die rekombinanten Enzyme gereinigt. Die Substrat- und Produktspektren dieser Enzyme wurden mittels HPLC, High performance anion exchange chromatography (HPAEC), Dünnschichtchromatographie (DC) und size exclusion chromatography (SEC) charakterisiert. Um die Thermostabilität der CGTase zu erhöhen, wurden über Errorprone PCR Mutationen in das die CGTase kodierende Gen eingeführt und die mutierten Gene anschließend über DNA-shuffling neu rekombiniert. Die Genbank erhaltener, mutierter CGTase-Varianten wurde auf erhöhte Thermostabilität gescreent. Zur Abschätzung der Thermostabilität wurde die Schmelztemperatur verschiedener Mutanten mittels differential scanning calorimetry (DSC) bestimmt. Des Weiteren wurde ein System zur Tat-abhängigen heterologen, sekretorischen Expression etabliert. Dies geschah über die Herstellung von Fusionsgenen aus biotechnologisch interessanten Genen von A. gottschalkii und verschiedenen Signalsequenzen.