111 年 國立清華大學生命科學院聯招：分子與細胞生物研究所、分子醫學研究所、生物資訊與結構生物研究所、生物科技研究所、系統神經科學研究所丁組《微生物學》

此題考驗學生對真菌分類、重要菌種及其致病性、以及在產業上的應用的知識。

選項 (A) 正確。Ascomycota (子囊菌門) 是真菌界中最大的門，包含許多常見的黴菌（如 Aspergillus, Penicillium）和酵母菌（如 Saccharomyces cerevisiae）。
選項 (B) 錯誤。Aspergillus 屬的黴菌確實會引起麴黴病 (aspergillosis)，但其主要的感染途徑是經由呼吸道吸入孢子，而非胃腸道。

此題考驗學生對細菌的代謝特性、分類以及在血液培養基上的表現等知識。

選項 (A) 錯誤。Alpha-hemolysis (α-溶血) 在血液培養基上表現為在菌落周圍出現一層綠色的暈輪，這是因為紅血球被部分破壞，血紅素被氧化成綠色的 methemoglobin，這是一種不完全溶血。Beta-hemolysis (β-溶血) 則是完全溶血，呈現透明的暈輪。
選項 (B) 正確。紫色硫細菌 (Purple sulfur bacteria) 屬於光合細菌，它們利用硫化氫 ($H_2S$) 作為電子供體，將其氧化成元素硫 (S) 或硫酸鹽 ($SO_4^{2-}$)，並利用光能合成有機物，是典型的光無機自營營養菌 (photolithoautotrophs)。
選項 (C) 正確。

此題考驗學生對細菌 (Bacteria)、古菌 (Archaea) 和真核生物 (Eukarya) 三個域之間在細胞結構、代謝途徑和對抗生素敏感性等方面的比較性知識。

選項 (A) 錯誤。真核生物 (Eukarya) 具有膜包圍的細胞核，其中包含核仁 (nucleolus)。然而，古菌 (Archaea) 是原核生物，不具有膜包圍的細胞核，也沒有核仁。
選項 (B) 錯誤。氣囊 (Gas vesicles) 是一種用於調節浮力的細胞器，主要存在於某些水生細菌和古菌中，用於在水中懸浮。在真核生物中，氣囊並不常見。
選項 (C) 錯誤。化能無機自營營養 (Chemolithotrophy) 是一種利用無機物氧化釋放的能量來合成有機物的代謝方式。

此題考驗學生對細菌性疾病、病原菌特性、傳播途徑及毒素作用的知識。

選項 (A) 錯誤。Yersinia pestis (鼠疫桿菌) 是一種革蘭氏陰性 (Gram-negative) 桿菌，而非革蘭氏陽性菌。
選項 (B) 錯誤。Toxoid (類毒素) 是經過化學處理或加熱，使其失去毒性但仍保留免疫原性的毒素。它常用於製作疫苗，而非描述血液中的毒素引起的疾病狀態。血液中有毒素引起的狀態稱為菌血症 (bacteremia) 或毒血症 (toxemia)。
選項 (C) 錯誤。Legionnaires' disease (退伍軍人症) 是由 Legionella pneumophila (氣 જન 桿菌) 引起，這種細菌主要存在於水中，經由吸入含有該菌的氣霧而感染，而非由節肢動物傳播。
選項 (D) 錯誤。

此題考驗學生對抗菌化學療法相關藥物的作用機制、分類及其應用知識。

選項 (A) 正確。Fluoroquinolones (氟喹諾酮類藥物) 如 ciprofloxacin，是廣效抗菌藥物，其作用機制是抑制細菌的 DNA gyrase (DNA 旋轉酶) 和 topoisomerase IV (拓撲異構酶 IV)，進而阻礙細菌 DNA 的複製、轉錄、修復和重組。題目中的 topoisomerase II 雖然也與 DNA 複製有關，但對於細菌而言，DNA gyrase (type II topoisomerase) 和 topoisomerase IV 是主要的標靶。然而，相較於其他選項的明顯錯誤，此選項是相對正確的。
選項 (B) 錯誤。

此題考驗學生對生物分類學的理解，特別是「原生生物」(protists) 這個類群的定義和其在分類學上的地位。

核心觀念：一個有效的分類群 (taxon) 應該是一個單系群 (monophyletic group)，意即它包含一個共同祖先及其所有的後代。

選項 (A) 錯誤。原生生物是單細胞的真核生物，是細胞形態的生命體。
選項 (B) 錯誤。原生生物確實大多是微小的，但它們是真核生物，其大小並非排除其分類地位的原因。
選項 (C) 錯誤。原生生物是真核生物，不包含原核生物 (prokaryotes)。

此題考驗學生對於決定微生物演化關係 (phylogenic relatedness) 的實驗方法的理解。

核心觀念：在微生物學中，利用分子生物學方法，特別是比較基因序列，是確定生物之間演化關係最準確和最常用的方法。

選項 (A) 正確。Small subunit ribosomal RNA (SSU rRNA，小次單元核糖體 RNA) 基因的序列分析是目前確定微生物演化關係最廣泛和最可靠的方法之一。因為 rRNA 基因在所有生物中都普遍存在，而且其序列在演化過程中相對保守，但又存在足夠的變異來區分不同物種或類群。
選項 (B) 錯誤。

此題考驗學生對不同類型顯微鏡的解析度及觀察對象的理解。

核心觀念：觀察細胞內部的細微結構，需要高解析度的顯微鏡。

選項 (A) 錯誤。Light microscope (光學顯微鏡) 的解析度約為 0.2 微米 ($\mu m$)，雖然可以觀察到細胞的整體結構，如細胞核、細胞器的大小，但無法清晰地分辨非常細小的細胞內部結構，如核糖體、內質網的細微結構等。
選項 (B) 錯誤。Dark-field microscope (暗視野顯微鏡) 適用於觀察未染色、透明的微生物，其原理是讓光線從側面照射，只觀察被散射的光線，因此可以產生明亮的背景和黑暗的標本，但其解析度與光學顯微鏡相似，無法觀察細微的細胞內部結構。
選項 (C) 正確。

此題考驗學生對細菌細胞結構及其功能的理解，特別是與維持細胞形態和防止細胞裂解相關的結構。

核心觀念：細菌細胞壁是維持細胞形態和防止細胞在低滲透壓環境下吸水膨脹而裂解 (lysis) 的關鍵結構。

選項 (A) 錯誤。Plasma membrane (細胞膜) 是細胞的內界，負責物質運輸和能量代謝，但它本身無法提供足夠的機械強度來抵抗低滲透壓環境。
選項 (B) 正確。

此題考驗學生對細菌趨化性 (chemotaxis) 行為的理解，特別是細菌如何感知化學梯度並進行運動。

核心觀念：細菌的運動包括「跑」(run) 和「翻滾」(tumble) 兩種模式。「跑」是鞭毛協同運動，使細菌沿直線前進；「翻滾」是鞭毛隨機轉動，改變細菌的運動方向。細菌通過感知化學物質濃度的變化來調節這兩種模式的頻率和持續時間，以趨向有利環境或避開不利環境。

在化學引誘劑 (attractant) 的梯度中，細菌的行為是：

1. 當細菌朝向引誘劑濃度增加的方向「跑」時，它會延長「跑」的時間，減少「翻滾」的頻率。

此題考驗學生對細菌 (Bacteria) 和古菌 (Archaea) 這兩個原核生物域之間在結構、生化和遺傳特徵上的區別。

核心觀念：區分細菌和古菌需要比較它們在多個關鍵特徵上的差異。

選項 (A) 正確。Small subunit ribosomal RNA (SSU rRNA) 序列分析是區分 Bacteria 和 Archaea 的最重要和最可靠的方法之一。它們的 rRNA 序列存在顯著差異。
選項 (B) 正確。Membrane lipids (細胞膜脂質) 的類型是區分 Bacteria 和 Archaea 的一個關鍵特徵。細菌細胞膜主要由甘油磷脂組成，其脂肪酸通過酯鍵連接到甘油骨架上。古菌細胞膜則主要由甘油醚脂組成，其異戊二烯醇單元通過醚鍵連接到甘油骨架上，且常為單層膜。
選項 (C) 正確。

此題考驗學生對細菌生長曲線的理解，以及計算平均世代時間 (mean generation time, $g$) 的能力。

核心觀念：細菌的生長遵循指數規律，其關係式為 $N_t = N_0 \cdot 2^{t/g}$，其中：
$N_t$ = 在時間 $t$ 時的細菌數量
$N_0$ = 起始細菌數量
$t$ = 生長時間
$g$ = 平均世代時間

題目資訊：
起始時間：4:00 p.m.
起始數量 ($N_0$)：10,000 細胞
滯後期 (lag phase) 持續時間：1 小時
對數期 (log phase) 開始時間：4:00 p.m. + 1 小時 = 5:00 p.m.
觀察時間：9:00 p.m.
9:00 p.m. 時的數量 ($N_t$)：41,000,000 細胞 (約 41 million)

此題考驗學生在複雜樣本（如糞便）中分離稀有病原菌的實驗策略。

核心觀念：從含有大量雜菌 (normal microbiota) 的樣本中分離稀有目標菌，需要採用能抑制雜菌生長、促進目標菌生長或富集的培養策略。

選項 (A) 錯誤。Enriched media (富集培養基) 通常用於促進生長緩慢或需求特殊的微生物，但對於數量極少的目標菌，若雜菌也能在此培養基上生長，則無法有效分離。
選項 (B) 錯誤。Differential media (鑑別培養基) 可以區分不同菌種的生化特性，但如果目標菌數量太少，在大量雜菌的影響下，鑑別效果會不明顯。
選項 (C) 錯誤。Anaerobe jar (厭氧罐) 是為了培養厭氧菌。雖然某些病原菌是厭氧菌，但題目並未指明目標病原菌的厭氧性，且此方法本身無法解決目標菌數量稀少的問題。
選項 (D) 錯誤。Culture on selective agar followed by enrichment culture (在選擇性培養基上培養後進行富集培養)。

此題考驗學生對各種常用抗生素作用機制的了解，特別是哪些抗生素抑制蛋白質合成。

核心觀念：抗生素的作用機制多樣，其中一類重要的抗生素是通過抑制細菌蛋白質合成來發揮作用的，它們通常作用於細菌的核糖體。

選項 (A) Tetracycline (四環黴素)：抑制蛋白質合成。它結合於細菌核糖體 30S 次單元，阻止氨醯-tRNA 與 mRNA-核糖體複合物結合。
選項 (B) Streptomycin (鏈黴素)：抑制蛋白質合成。它是一種氨基糖苷類抗生素，結合於細菌核糖體 30S 次單元，引起密碼錯誤讀取和過早終止。

此題考驗學生對冠狀病毒 (Coronaviruses) 基本特徵的了解。

核心觀念：冠狀病毒是一類具有包膜的 RNA 病毒，其基因組為正鏈單股 RNA。

選項 (A) 正確。Coronaviruses contain envelope (冠狀病毒含有包膜)。它們是具有包膜的病毒，包膜來源於宿主細胞膜。
選項 (B) 錯誤。Coronaviruses are negative-sense single-stranded RNA viruses (冠狀病毒是負鏈單股 RNA 病毒)。實際上，冠狀病毒的基因組是正鏈單股 RNA (positive-sense single-stranded RNA, +ssRNA)。

此題考驗學生對 COVID-19 (新冠肺炎) 的流行病學、致病機制和臨床表現的了解。

核心觀念：COVID-19 是一種由 SARS-CoV-2 病毒引起的傳染病，已造成全球大流行。

選項 (A) 錯誤。COVID-19 is not pandemic disease (COVID-19 不是大流行病)。COVID-19 已經被世界衛生組織 (WHO) 宣布為大流行病 (pandemic)。
選項 (B) 正確。COVID-19 entry into human cells is mediated by a cell surface receptor angiotensin-converting enzyme (COVID-19 進入人體細胞是通過細胞表面受體血管張力素轉化酶 2 (ACE2) 介導的)。

核心觀念

本題考查 COVID-19 的基本流行病學與防疫觀念，包括：

1. COVID-19 的病原體為 SARS-CoV-2。
2. 高齡者及具有慢性疾病者，較容易發展為重症。
3. 接種疫苗並遵循所在地防疫指引，是降低感染及重症風險的重要措施。
4. 判斷「Which is not true」時，必須逐一確認每個敘述是否正確。

解題方法

先分別判斷 A～D 是否符合 COVID-19 的已知醫學事實，再判斷 E 所謂「所有選項皆正確」是否成立。

若 A～D 全部正確，則 E 的敘述「All of the choices are correct」也同樣為真。因此，本題若將 E 視為一般選項，會形成邏輯矛盾：題目要求找出「不正確者」，但實際上沒有不正確的敘述。

選項分析

(A) 正確

COVID-19 是由嚴重急性呼吸道症候群冠狀病毒 2 型（SARS-CoV-2）所引起的傳染病。病毒主要經由感染者呼吸道產生的飛沫、氣溶膠及近距離接觸傳播。

(B) 正確

高齡者及具有心血管疾病、糖尿病等基礎疾病者，發生嚴重 COVID-19、住院或死亡的風險較高。這些患者可能具有免疫反應較弱、慢性發炎或器官儲備功能下降等情形，因此感染後較容易惡化。

(C) 正確

此題考驗學生對病毒結構的理解，特別是病毒包膜 (viral envelope) 的組成。

核心觀念：病毒包膜是病毒外層的一層結構，來源於宿主細胞膜，其主要成分是脂質雙層，嵌入了病毒編碼的蛋白質（如醣蛋白）。

選項 (A) 正確。Viral envelopes are composed of lipids (病毒包膜由脂質組成)。病毒包膜是從宿主細胞膜（主要是質膜，有時是內膜系統）獲得的，因此主要成分是脂質雙層。
選項 (B) 正確。Viral envelopes are composed of proteins (病毒包膜由蛋白質組成)。

此題考驗學生對病毒結構基本組成的認識，特別是病毒遺傳物質外的蛋白質外殼。

核心觀念：病毒的基本結構由核酸（基因組）和包裹核酸的蛋白質外殼組成。

選項 (A) Matrix (基質)：在有包膜病毒中，基質蛋白質通常位於包膜和衣殼之間，起連接作用，但它不是直接包裹遺傳物質的蛋白質外殼。
選項 (B) Capsid (衣殼)：這是包裹病毒核酸（DNA 或 RNA）的蛋白質外殼。衣殼由蛋白質亞單位（殼粒，capsomeres）組裝而成，它保護病毒的遺傳物質免受環境破壞，並參與病毒與宿主細胞的結合和進入。

Antitoxin (抗毒素) 是一種抗體，由免疫系統產生，用來中和外來毒素 (toxin) 的作用。當細菌產生外毒素 (exotoxin) 或其他毒素進入體內時，免疫系統會識別這些毒素為外來抗原，並產生能夠特異性結合這些毒素的抗體，即抗毒素。

Infection dose 50 (ID50) 是指能夠感染宿主群體中 50% 個體所需的最少量病原體（如細菌、病毒）的數量。它是一個衡量病原體感染力的指標。ID50 的數值越小，表示病原體越容易引起感染，感染力越強。

Secondary metabolites (次級代謝產物) 是微生物（如細菌、真菌）在生長過程中產生的一類有機化合物，它們並非維持微生物基本生命活動所必需，但通常對微生物的生存、競爭或相互作用具有重要意義。

Psychrophile (嗜冷菌) 是一種能在低溫環境下生長和繁殖的微生物。通常，它們的最適生長溫度低於 15°C，最低生長溫度低於 0°C，而最高生長溫度低於 20°C。

Mycology (真菌學) 是微生物學的一個分支，專門研究真菌 (fungi) 的科學。

Siderophore (鐵載體) 是一類由微生物（特別是細菌和真菌）分泌的小分子化合物，它們對鐵離子具有極高的親和力。由於鐵離子在許多環境中溶解度很低，微生物需要通過分泌鐵載體來結合並將鐵離子運輸到細胞內，以滿足其生長繁殖的需要。

Decimal reduction time (D value, D值) 是滅菌學中的一個重要參數，指的是在特定溫度下，使特定微生物（通常是孢子）的數量減少到原來的十分之一 (1/10) 所需的時間。D 值反映了微生物對熱的抵抗力，D 值越長，表示該微生物越耐熱。

Gram stain (革蘭氏染色法) 是一種用於區分細菌細胞壁結構的經典微生物染色技術。該方法將細菌分為兩大類：革蘭氏陽性菌 (Gram-positive bacteria) 和革蘭氏陰性菌 (Gram-negative bacteria)。

Viral neutralization (病毒中和) 是指通過抗體或其他方法（如某些化學物質或物理條件）來阻止病毒感染宿主細胞的能力。

Artificially acquired immunity (人工獲得性免疫) 是指通過醫學干預（如疫苗接種或注射抗體）而獲得的免疫力。

Antigenic determinant sites (抗原決定位點)，也稱為表位 (epitope)，是抗原分子（如病毒、細菌表面的蛋白質或多醣）上能夠被免疫系統（特別是抗體或 T 細胞受體）識別並結合的特定區域。

Chronic infection (慢性感染) 是指由病原體引起的、持續時間較長的感染，通常持續數週、數月甚至數年。

SARS-CoV-2 variants (SARS-CoV-2 變異株) 是指引起 COVID-19 的 SARS-CoV-2 病毒在傳播過程中，由於基因組複製錯誤或重組而產生，與原始毒株相比，在遺傳物質（RNA 序列）上發生了改變的病毒株。

Viral RNA-dependent RNA polymerase (RNA 依賴性 RNA 聚合酶，RdRp) 是一種由病毒編碼的酶，負責催化 RNA 模板合成新的 RNA。這種酶對於 RNA 病毒（特別是單鏈 RNA 病毒）的複製至關重要。

• 對於正鏈 RNA 病毒 (+ssRNA)，RdRp 可以直接以其基因組 RNA 為模板合成負鏈 RNA 中間體，再以負鏈 RNA 為模板合成新的正鏈 RNA 基因組。

這題要求解釋三種不同類型的細菌：自營細菌、異營細菌和化能無機自營細菌。

1. Autotrophic bacteria (自營細菌)：
   自營細菌是指能夠自行合成其生長所需的大部分有機物，而不需要攝取現成的有機物作為碳源的細菌。它們的主要碳源是無機碳，如二氧化碳 ($CO_2$)。自營細菌可以進一步細分為兩類：

   • Photoautotrophs (光合自營菌)：利用光能作為能量來源，將二氧化碳轉化為有機物。例如，藍綠菌 (cyanobacteria)。
   • Chemoautotrophs (化能自營菌)：利用無機物的氧化能作為能量來源，將二氧化碳轉化為有機物。

2. Auxotrophic bacteria (異營細菌)：
   異營細菌 (auxotrophic bacteria) 是指除了需要無機碳源（如 $CO_2$）外，還需要從環境中攝取某些有機分子（如胺基酸、核苷酸、維生素等）作為生長因子，因為它們自身無法合成這些必需的有機分子。與之相對的是營養型細菌 (prototrophic bacteria)，它們能夠自行合成所有必需的有機分子，只需要無機物和碳源即可生長。異營性是某些細菌在長期演化過程中，失去合成特定必需有機物的基因或表達能力而產生的。

3. Chemolithotrophic bacteria (化能無機自營細菌)：
   化能無機自營細菌 (chemolithotrophic bacteria) 是一類特殊的自營細菌，它們利用無機物的氧化所釋放的能量（化能）來合成有機物，其碳源是無機碳（通常是二氧化碳）。它們是生態系統中重要的初級生產者，參與地球的物質循環。

   • 能量來源：氧化無機物，例如：

Mycobacteria (分枝桿菌) 之所以對 Ziehl-Neelsen 染色法（一種酸-酒精抗性染色法，簡稱 AFB 染色）呈陽性，即所謂的「抗酸性」(acid-fast)，是因為它們的細胞壁含有高含量的分枝菌酸 (mycolic acids)。分枝菌酸是一種長鏈的脂肪酸，高度疏水，與細胞壁中的肽聚醣和阿拉伯半乳聚醣 (arabinogalactan) 緊密結合，形成一層蠟狀的、不透水的結構。

在 Ziehl-Neelsen 染色過程中：

1. 首先用結晶紫 (carbolfuchsin) 染色，並加熱，使結晶紫能夠滲透到分枝菌酸含量高的細胞壁中。

COVID-19 疫苗加強劑 (booster dose) 的重要性主要體現在以下幾個方面：

1. 恢復和增強免疫力 (Restoring and enhancing immunity)：隨著時間的推移，疫苗誘導的免疫反應（包括抗體水平和細胞免疫）可能會逐漸減弱。加強劑可以重新刺激免疫系統，提高抗體滴度和 T 細胞的反應，從而恢復和增強對病毒的保護力。
2. 應對病毒變異株 (Addressing viral variants)：SARS-CoV-2 病毒不斷變異，產生新的變異株。一些變異株可能具有免疫逃逸能力，意味著它們可以部分逃避由原始毒株疫苗或既往感染產生的免疫保護。

這題要求繪製革蘭氏陰性菌鞭毛的組裝圖並描述其運動機制。

一、革蘭氏陰性菌鞭毛的組裝 (Assembly of Flagellum in Gram-negative Bacteria)

革蘭氏陰性菌的鞭毛是一個複雜的結構，由多種蛋白質組成，並從細胞質基質向鞭毛尖端逐層組裝。其結構主要包括：

1. 基部體 (Basal body)：這是鞭毛的馬達，嵌入細胞膜和細胞壁，由一系列環狀結構組成。

   • L 環 (L ring, Lipopolysaccharide layer ring)：位於外膜，支撐外層的 P 環。
   • P 環 (P ring, Peptidoglycan layer ring)：位於肽聚醣層，支撐內層的 M 環和 S 環。
   • M 環 (M ring, Membrane ring)：位於細胞膜，與馬達蛋白 (Mot proteins) 和門控蛋白 (FliM, FliG, FliN) 相連，是離子流動和旋轉的通道。
   • S 環 (S ring, Supramolecular ring)：位於膜內，與 Hook 蛋白相連，是馬達的軸承。
   • C 環 (C ring, Cytoplasmic ring)：位於細胞質內，與馬達蛋白和門控蛋白相連，是馬達的旋轉和變向的調控中心。
   • 馬達蛋白 (Mot proteins)：通常是質子通道，利用質子流動產生的電化學梯度驅動 M 環和 S 環旋轉。
   • 門控蛋白 (Fli proteins)：如 FliM, FliG, FliN，負責調控馬達的旋轉方向和速度。

2. 鉤部 (Hook)：連接基部體和鞭毛絲，是一個彎曲的蛋白質結構，將基部體的旋轉運動傳遞給鞭毛絲。

3. 鞭毛絲 (Filament)：鞭毛的主體，由數萬個鞭毛蛋白 (flagellin) 單元沿螺旋狀排列而成。鞭毛蛋白從細胞質通過基部體和鉤部，輸送到鞭毛絲的尖端進行組裝。

組裝過程示意圖 (Diagram of Assembly - Textual Description)：
想像一個垂直的軸穿過細胞膜和細胞壁。

• 在細胞質中，有 C 環和門控蛋白，以及馬達蛋白。
• 穿過細胞膜，有 M 環和 S 環。
• 穿過肽聚醣層，有 P 環。
• 穿過外膜，有 L 環。
• L 環和 P 環上方連接一個彎曲的鉤部 (Hook)。
• 鉤部頂端連接長長的鞭毛絲 (Filament)，鞭毛絲的組成為許多鞭毛蛋白 (flagellin)。

組裝方式：鞭毛蛋白單元在細胞質中合成，然後通過基部體和鉤部中央的通道，被運輸到鞭毛絲的尖端，在那裡進行組裝，使鞭毛絲不斷延長。

**(請注意：由於此處為純文字輸出，無法繪製實際圖形。請參考標準微生物學教科書中的鞭毛結構圖來理解。