《Cell Reports Physical Science》：Spore-embedded scaffolds for enhanced mass transport and programmable biomanufacturing
编辑推荐：
本研究针对农业废弃物（豆渣BR）资源化利用效率低、传统固态发酵空间资源调控难等问题，通过开发豆渣基生物墨水，结合3D打印技术构建多级孔结构支架，显著提升了粗糙脉孢菌（Neurospora crassa）的生物量与类胡萝卜素产量（分别提高3.42倍和3.27倍）。该策略通过结构-环境耦合调控实现了真菌生长代谢的程序化控制，为农业废弃物高值转化和绿色生物制造提供了新思路。
随着全球农业现代化进程的加速，每年产生的农业废弃物超过50亿吨，其中约30%来自食品加工链。豆渣（BR）作为大豆加工的典型副产品，亚洲地区年产量超400万吨，但90%以上未被有效利用。传统处理方式（如焚烧、堆肥）不仅释放大量温室气体，其低效的资源转化方式（如饲料、肥料）也难以实现废弃物的高值化利用。
在这一背景下，中国传统发酵食品“红曲豆腐”提供了灵感。该工艺利用粗糙脉孢菌（Neurospora crassa）在豆渣基质上的固态发酵（SSF）转化废弃物，但其发酵效率受限于空间资源分布不均和微环境调控困难。研究表明，真菌生长高度依赖氧气、湿度等环境因子，而传统发酵方式难以实现精准调控。受垂直农业概念的启发，研究团队提出将三维（3D）打印技术与传统发酵相结合，通过数字化构建支架结构，优化微生物生长空间与资源传输路径。
本研究发表于《Cell Reports Physical Science》，团队通过开发豆渣基生物墨水（BR-SS-agar体系），采用熔融沉积成型（FDM）技术打印多孔支架，系统评估了支架的成型性能、资源传输效率及对粗糙脉孢菌生长代谢的调控作用。关键方法包括：（1）基于豆渣的食品级生物墨水配方优化与打印参数调控；（2）支架结构对氧气、水分扩散的模拟分析；（3）真菌生物量、类胡萝卜素产量及酶活性量化；（4）转录组学（RNA-seq）分析差异表达基因（DEGs）及代谢通路；（5）模块化接种与连续培养策略验证应用潜力。
支架构建与墨水性能
豆渣基墨水（如B22S4组）表现出优异的剪切稀化和弹性恢复特性，其多级孔结构（毫米至纳米尺度）显著提升了氧气的平均扩散速率（较胶体材料CM提高3.73倍）。扫描电镜（SEM）和压汞法结果显示，BR墨水中的纤维素纤维形成了贯通孔道，而CM墨水孔隙均匀致密，限制了资源渗透。
资源传输优势与真菌兼容性
在固态培养条件下，BR墨水支撑的孢子12小时内萌发并形成菌丝网络，第四天生物量和类胡萝卜素产量分别达CM墨水的3.42倍和3.27倍。纤维素酶（CL）活性检测和还原糖含量分析表明，BR墨水中纤维素的缓释特性为菌丝生长提供了持续碳源，而CM墨水的营养“暴释”导致早期碳源耗尽。
高效资源转化与转录组学机制
与传统堆叠发酵相比，3D打印支架的氧气传输能力提升约四个数量级。转录组分析显示，打印组共有3,416个差异表达基因（DEGs），其中核糖体生物合成、DNA复制等通路显著上调，表明真菌处于活跃的菌丝扩展期；次级代谢通路下调则提示支架开放环境降低了防御性代谢产物的需求。
空间布局与微环境调控
通过调控孢子接种密度（3×105–4×105spores/g）和支架层数（如16层空心设计），实现了菌丝生长与孢子合成的定向调控。模块化接种（仅部分层含孢子）可通过“自上而下”的菌丝扩展覆盖全支架，节省孢子用量。此外，交替光照可穿透支架深层，促进内部类胡萝卜素积累。
应用潜力：生物合成与环境修复
支架在极端条件（冻融、液氮、紫外）下仍保持功能稳定性，且通过补料培养可实现四轮连续孢子收获（总类胡萝卜素产量0.43 mg/g）。同时，高湿度环境下漆酶（Lac）和纤维素酶活性持续维持，结合菌丝网络增强的机械性能，展现出在土壤修复和弹性材料领域的应用前景。
研究结论指出，3D打印支架通过“结构-资源-微生物”的精准耦合，将传统发酵经验转化为可编程的生物制造平台。该策略不仅提升了农业废弃物的转化效率（如豆渣至功能性蛋白、类胡萝卜素），其模块化设计和环境适应性也为未来绿色制造、循环农业及智能材料开发提供了技术支撑。
