调控黑曲霉(Aspergillus niger)摇瓶培养中菌球直径、群体异质性及核心结构的生物工艺优化策略

本研究针对丝状真菌在液态培养中形态异质性影响产物合成的行业难题，通过系统调控孢子浓度、滑石粉微颗粒添加、振荡频率等48种培养参数，结合高通量二维图像分析和同步辐射显微断层扫描(μ-CT)技术，首次建立了黑曲霉菌球直径与蛋白分泌的负相关性，并提出了基于核心结构的三分类体系。该成果为工业发酵中形态工程提供了可重复调控的标准化方案，发表于《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》。

　　

在工业生物技术领域，黑曲霉(Aspergillus niger)作为重要的细胞工厂，其液态培养形态直接影响有机酸、酶制剂等产物的合成效率。然而，丝状真菌在摇瓶培养中普遍存在菌球形态不可控、群体异质性高、技术重复性差等瓶颈问题。传统研究多聚焦单一参数对形态的影响，缺乏对多因素互作机制的系统解析，更鲜有研究揭示菌球内部三维结构与生理功能的关联。

为解决这一难题，德国柏林工业大学、慕尼黑工业大学等机构的研究团队在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》发表创新成果。研究采用高通量二维图像分析量化44,000个菌球的直径分布，结合同步辐射显微断层扫描(μ-CT)解析2,500个菌球的内部结构，开发了预测菌球直径的线性回归模型，并建立了基于核心架构的新型分类系统。

关键技术包括：(1)设计48种培养参数的组合实验（涉及孢子浓度5×10⁴
-5×10⁶
spores mL^-1
、滑石粉0-10 g L^-1
、振荡频率150-250 rpm）；(2)改进的MATLAB图像分析流程自动识别菌球轮廓；(3)基于DESY同步辐射设施的μ-CT技术实现单菌球三维重构；(4)建立考虑对数转换的多重线性回归模型。

Adjusting A. niger pellet populations in shake flask cultivation
研究发现孢子浓度、滑石粉添加和振荡频率可独立调控菌球直径（134-2,616 μm），非挡板培养条件显著提高重复性（OVL≥0.60）。通过8个技术重复验证，直径>1,200 μm的菌群蛋白分泌量达2.18±0.72 mg g^-1
CDW，较小型菌球提高3倍，但葡萄糖消耗速率降低57%。

A. niger pellets can be classified into three distinct core types
μ-CT揭示菌球核心结构存在三类：单孢子核心（Class I）、多孢子核心（Class II）和成熟菌球聚合体（Class III）。直径2 mm的Class II菌球含约34 m总菌丝长度和20万分支点，其中心区域固相分数低于0.1，显著影响物质扩散效率。

Culture parameters impact pellet cores
高孢子浓度(5×10⁶
spores mL^-1
)和10 g L^-1
滑石粉促使形成Class I菌球（核心孢子簇<5个），而低孢子浓度易产生含>10个孢子簇的Class II菌球。菌球融合现象在培养后期导致不对称形态，占群体15%。

该研究首次将菌球形态调控、异质性量化与三维结构解析相结合，提出的分类系统为理解丝状真菌形态发育提供了新视角。建立的预测模型（R²
=0.80）可直接指导工业发酵工艺优化，而关于菌球大小与代谢重分配的发现为理性设计高产菌株提供了理论依据。这些突破对实现生物制造过程的可控化和标准化具有重要实践意义。