112 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甲組《微生物學》

此題主要在考驗考生對常見致病微生物及其所引起疾病的認識。題目要求選出一個常見引起食源性疾病（food-borne diseases）的微生物。

• A. Cryptococcus neoformans：是一種引起隱球菌病的真菌，常感染免疫功能低下者，與食源性疾病關聯不大。
• B. Bordetella pertussis：是引起百日咳的細菌，是一種呼吸道傳染病，非食源性疾病。

此題考驗考生對真菌（fungi）和原生生物（protists）的特性與相關疾病的知識。題目要求選出一個錯誤的敘述。

• A. Important zygomycota include Saccharomyces cerevisiae and Aspergillus fumigatus.

  • Saccharomyces cerevisiae（釀酒酵母）屬於子囊菌門（Ascomycota），而非接合菌門（Zygomycota）。
  • Aspergillus fumigatus（煙麴黴）也屬於子囊菌門（Ascomycota）。
  • 重要的接合菌門（Zygomycota）例子包括 Rhizopus（根黴菌，常引起食物腐敗或濕熱菌）等。
  • 因此，此敘述是錯誤的。

• B. Fungi are major decomposers of nature and can break down organic matters.

  • 真菌在生態系統中扮演重要的分解者角色，能夠分解動植物殘體等有機物，將其轉化為無機物，循環營養。此敘述正確。

此題考驗考生對細菌特性、分類、致病性及相關實驗技術的理解。題目要求選出一個關於細菌的正確敘述。

• A. Mycoplasmas are stained as Gram-positive due to their thick waxy cell envelope.

  • Mycoplasmas 是最小的細菌之一，牠們的特徵是缺乏細胞壁。由於缺乏細胞壁，牠們無法被格蘭氏染色法（Gram stain）染色，因此無法分類為格蘭氏陽性或陰性。選項錯誤。

• B. Deinococcus radiodurans facilitates oxygenic photosynthesis using phycobilisomes that contain light-harvesting pigments.

  • Deinococcus radiodurans 以其極強的抗輻射能力而聞名，但牠不是光合細菌。牠是一種兼性厭氧的革蘭氏陰性菌。進行氧氣光合作用的細菌（如藍綠菌）通常具有類囊體膜（thylakoid membranes）和光合色素，但 Deinococcus radiodurans 不具備此能力。選項錯誤。

• C. Alpha-proteobacteria are the largest subgroup of proteobacteria, including the pseudomonads.

  • Proteobacteria（變形菌門）是一個非常龐大且多樣化的細菌門，分為阿爾法（α）、貝塔（β）、伽馬（γ）、德爾塔（δ）和艾普西龍（ε）五個主要類別。

核心觀念

本題考查細菌內毒素（bacterial endotoxin）的來源、化學本質、耐熱性、免疫原性與致病機制。

內毒素主要指革蘭氏陰性菌外膜上的脂多醣（lipopolysaccharide, LPS），其結構可分為：

1. O antigen：位於最外側，具有菌株抗原特異性。
2. 核心多醣（core polysaccharide）：連接 O antigen 與 lipid A。
3. Lipid A：嵌入外膜，是造成內毒素毒性與發炎反應的主要部分。

當革蘭氏陰性菌死亡、裂解，或外膜出現脫落時，LPS 釋放至宿主體內。Lipid A 可活化巨噬細胞與其他免疫細胞，促使其分泌 TNF-α、IL-1、IL-6 等細胞激素，引發發燒、發炎、低血壓，嚴重時造成敗血性休克。

解題方法

判斷內毒素題目的關鍵，可依下列原則切入：

• 來源：革蘭氏陰性菌外膜的 LPS。
• 毒性部位：Lipid A。
• 性質：耐熱，且相較於多數外毒素具有較弱的免疫原性。
• 臨床效應：可引起發燒與全身性發炎。
• 結構辨識：內毒素沒有外毒素常見的 A-B 兩個亞基。

因此，符合內毒素典型特徵的是「耐熱且免疫原性較弱」。

選項分析

A. Produced only by Gram-positive bacteria.

錯誤。內毒素是革蘭氏陰性菌外膜中的 LPS 成分，並非由革蘭氏陽性菌產生。

革蘭氏陽性菌具有厚的肽聚糖層，但沒有革蘭氏陰性菌所特有的外膜，因此不具備典型的 LPS 內毒素。革蘭氏陽性菌仍可透過磷壁酸、脂磷壁酸或其他細胞壁成分引起發炎反應，但這些物質不等同於內毒素。

B. Bacterial endotoxins are heat stable and weakly immunogenic.

正確。內毒素中的 LPS 結構具有良好的耐熱性，一般加熱不易使其失去生物活性。

此外，內毒素相較於許多蛋白質性外毒素，免疫原性較弱，通常不會像外毒素一樣容易誘導高效價中和抗體，也不能透過一般方式製成具有免疫效果的類毒素（toxoid）。因此「耐熱且免疫原性較弱」符合內毒素的典型特徵。

核心觀念

本題考查細菌域（Bacteria）、古菌域（Archaea）與真核生物域（Eukarya）的典型差異，包括細胞構造、內含子、特殊代謝能力，以及核糖體對抗生素的敏感性。

判斷時須區分兩件事：

• 古菌與細菌都屬原核生物，沒有核膜包圍的細胞核，但兩者的分子構造與代謝特徵並不相同。
• 核糖體同為 $70\mathrm{S}$，不代表對抗生素的敏感性相同；藥物能否作用，取決於結合部位的分子構造。

解題方法

逐項確認各特徵分布於哪些生物域。涉及抗生素時，則從藥物作用標的判斷：氯黴素（chloramphenicol）主要抑制細菌核糖體的蛋白質合成，古菌核糖體與真核細胞質核糖體通常不敏感，因此正確選項為 E。

選項分析

A．錯誤：古菌沒有核膜包圍的細胞核，也沒有典型核仁。

古菌與細菌的染色體位於類核區（nucleoid），未被核膜包圍。真核生物才具有核膜包圍的細胞核，核內的核仁則主要參與核糖體 RNA 的合成、加工及核糖體次單元的組裝。

古菌的部分轉錄機制雖與真核生物相似，仍不代表古菌具有真核細胞的核構造。

B．錯誤：在典型三域比較中，古菌的蛋白質編碼基因通常不具有內含子。

內含子是轉錄後須經剪接移除的序列。真核生物的蛋白質編碼基因常含內含子，因此其前驅 mRNA 通常須經剪接，才能形成成熟 mRNA。

古菌的內含子主要見於部分 tRNA 與 rRNA 基因；蛋白質編碼基因中的內含子非常少見。因此，教科書的典型比較不將「mRNA 內含子」列為古菌與真核生物共有的普遍特徵，本題不選 B。

須注意：「古菌有內含子」不能直接等同於「古菌的 mRNA 普遍需要剪接」。少數古菌蛋白質編碼基因確有內含子，也不宜將古菌描述成完全沒有任何此類內含子。

此題考驗考生對光學顯微鏡放大倍數計算的基礎知識。顯微鏡的總放大倍數是透過物鏡（objective lens）的放大倍數乘以接目鏡（ocular lens 或 eyepiece）的放大倍數來計算的。

此題考驗考生對微生物吸收營養物的不同機制。題目要求選出一個關於營養物吸收的正確敘述。

• A. Group translocation is found in Eukarya.

  • 群體轉運（Group translocation）是一種能量偶聯的物質運輸方式，其中被運輸的分子在通過細胞膜的同時被化學修飾（如磷酸化），使其無法自由擴散回細胞外。此機制在**細菌（Bacteria）和古菌（Archaea）**中常見，例如磷酸肌醇系統（PEP-PTS）。
  • **真核生物（Eukarya）**主要通過內吞作用（endocytosis）和膜蛋白介導的運輸來吸收物質，群體轉讓不是其主要機制。
  • 因此，此敘述錯誤。

• B. Endocytosis is found in Bacteria.

  • 內吞作用（Endocytosis）是一種細胞吞噬外界物質的過程，涉及細胞膜的內陷形成囊泡。此機制是**真核細胞（Eukaryotic cells）**的特徵，用於攝取大分子物質、粒子甚至其他細胞。
  • **原核細胞（Prokaryotic cells，包括細菌和古菌）**通常沒有內吞作用，牠們主要通過細胞膜上的轉運蛋白或滲透作用來吸收營養物。
  • 因此，此敘述錯誤。

• C. Facilitated diffusion needs ATP hydrolysis to provide energy.

  • 促進性擴散（Facilitated diffusion）是一種被動運輸方式，它依賴細胞膜上的載體蛋白（carrier proteins）或通道蛋白（channel proteins）來幫助物質跨膜運輸。
  • 促進性擴散不需要消耗 ATP，其運輸方向是從高濃度區域向低濃度區域，不產生濃度梯度。能量來源是物質本身的濃度梯度。

此題考驗考生對細菌基本結構與特徵的了解。題目要求選出一個不正確的敘述。

• A. Mycoplasmas lack a cell wall.

  • 衣原體（Mycoplasmas）是最小的原核生物之一，牠們的特徵是缺乏細胞壁。牠們的細胞膜外有一層蛋白質包覆。此敘述正確。

• B. The nucleoid in bacteria contains chromosome and histones.

  • 細菌的遺傳物質位於細胞質中的一個區域，稱為類核體（nucleoid）。類核體包含一個環狀的 DNA 分子（染色體）。
  • 與真核生物不同，細菌的 DNA 沒有被核膜包圍，並且通常不與組蛋白（histones）結合。細菌的 DNA 是與一些稱為類核體相關蛋白（nucleoid-associated proteins, NAPs）的蛋白質結合，以進行摺疊和包裝。
  • 因此，此敘述「contains chromosome and histones」是不正確的。

• C. Most of the membranes in bacteria lack cholesterol.

  • 細菌的細胞膜（plasma membrane）的主要成分是磷脂雙分子層，並含有蛋白質。

此題考驗考生對細菌脂多醣體（Lipopolysaccharide, LPS）結構與功能的理解。LPS 是革蘭氏陰性菌（Gram-negative bacteria）細胞壁外膜的重要組成成分。題目要求選出一個關於 LPS 的正確敘述。

LPS 的結構通常分為三個部分：

1. 脂質 A (Lipid A)：位於 LPS 的底部，嵌入外膜的脂質雙層中。它是 LPS 的疏水部分，也是內毒素（endotoxin）的主要毒性成分。
2. 核心多醣 (Core polysaccharide)：連接在脂質 A 上，包含幾種特殊的糖類。核心多醣的結構相對保守，但仍有變異。
3. O 抗原 (O antigen) 或 O 多醣 (O polysaccharide)：連接在核心多醣上，延伸到細胞表面。它由重複的糖單位組成，結構變異性極大，是 LPS 的最外層部分。

• A. The core polysaccharide part of LPS contributes to negative charge on cell surface.

  • 核心多醣（Core polysaccharide）中通常含有磷酸基團或羧基等帶負電的基團，例如磷酸乙醇胺（ethanolamine phosphate）或磷酸甘油（glycerol phosphate）。這些負電荷基團使 LPS 整體帶負電，並影響細胞表面的電荷。
  • 雖然 O 抗原也可能帶負電，但核心多醣中的磷酸基團是 LPS 整體帶負電的重要來源。
  • 此敘述是正確的。

• B. The O antigen is the most conserved (constant) part of LPS.

此題考驗考生對不同微生物形態對高溫滅菌方法的抵抗力。題目要求選出在 100°C 濕熱滅菌下不會被殺死的選項。濕熱滅菌（如蒸氣滅菌）的原理是通過高溫和水分使蛋白質變性，以及破壞細胞結構。

• A. Bacterial endospores：細菌的芽孢（endospores）是細菌在不利環境下形成的休眠結構，具有極強的抗熱性。在 100°C 的濕熱條件下，芽孢需要較長時間（例如 15-30 分鐘的持續高壓蒸氣滅菌，約 121°C）才能被完全殺死。在 100°C 下，即使是濕熱，也不足以在短時間內完全殺死所有芽孢。高壓蒸氣滅菌（autoclaving）通常在 121°C 下進行，以確保芽孢的殺滅。

• B. Fungal spores：真菌的孢子（fungal spores）雖然比營養體細胞有更強的抗性，但它們通常對 100°C 的濕熱滅菌敏感，可以被殺死。

此題考驗考生對細菌產生抗藥性（drug resistance）的機制與影響因素的理解。題目要求選出一個會促進藥物抗藥性發展的因素。

• A. Use of a high enough concentration of the drug to destroy any spontaneous resistant mutants that might arise.

  • 使用足夠高的藥物濃度，能夠殺死絕大多數敏感菌株，同時也能殺死少數已經產生抗藥性的突變株。這有助於阻止或延緩抗藥性的產生和擴散。此選項是抑制抗藥性發展。

• B. Use of two drugs simultaneously with the hope that each will prevent the emergence of resistance to the other.

  • 聯合用藥（combination therapy）有時確實可以延緩抗藥性的產生，因為病原體需要同時獲得對兩種不同藥物的抗性，這在機率上較低。然而，如果兩種藥物作用機制相似，或者存在交叉抗性，則效果可能不佳。但一般來說，合理聯合用藥是對抗抗藥性的一種策略。此選項不一定促進抗藥性，甚至可能延緩。

此題考驗考生對細菌質體（plasmids）、抗藥性基因（R factors）、噬菌素（bacteriocins）以及細菌遺傳物質轉移的理解。題目要求選出一個錯誤的敘述。

• A. Col plasmids encode colicin which kills strains of E. coli.

  • Col 質體（Col plasmids）是攜帶產生噬菌素（colicins）基因的質體。噬菌素是細菌產生的毒素，可以殺死同種或近緣種的細菌，特別是對大腸桿菌（E. coli）中的某些菌株有殺傷力。此敘述正確。

• B. Plasmids which carry genes encoding degradative enzymes for pesticides are called metabolic plasmids.

  • 攜帶能代謝殺蟲劑（pesticides）或其他外源化合物的基因的質體，確實可以被稱為**代謝質體（metabolic plasmids）**或降解質體（degradative plasmids）。這些質體在環境微生物學中很重要。此敘述正確。

• C. All bacteriocin genes are on plasmids.

  • 噬菌素（bacteriocins）是細菌產生的抗菌蛋白質或胜肽，它們的基因絕大多數位於質體上，這使得它們能夠在細菌群體中傳播。
  • 然而，並非「所有」噬菌素基因都在質體上。

核心觀念

本題考查 Gram stain（革蘭氏染色）前的 heat fixation（熱固定）作用。

熱固定主要有三項功能：

1. 使細菌細胞固定並附著在玻片上，避免染色過程中被水流沖掉。
2. 殺死細菌。
3. 使細胞形態大致固定，便於觀察。

熱固定並不是讓染劑附著於細菌的必要條件，也不是造成革蘭氏陽性菌與陰性菌染色差異的主要步驟。

Gram stain 的基本流程為：

1. Crystal violet（結晶紫）初染
2. Gram’s iodine（碘液）媒染，形成 crystal violet–iodine 複合物
3. Alcohol 或 acetone-alcohol 脫色
4. Safranin（番紅）複染

革蘭氏陽性菌具有較厚的 peptidoglycan（肽聚糖）細胞壁，脫色後仍保留結晶紫－碘複合物，因此呈紫色；革蘭氏陰性菌的肽聚糖層較薄，且外膜被脫色劑破壞，結晶紫－碘複合物被洗去，最後被番紅染成紅色。

解題方法

題幹的關鍵是「forgot to heat fix a smear」，也就是完成塗片後沒有進行熱固定。

此時細菌沒有被牢固固定在玻片上。進行後續染色、沖洗與脫色時，水流及試劑可能將整個 smear（塗片）沖離玻片，導致細菌樣本流失或幾乎看不到。

因此，最直接且正確的結果是：

選項分析

A. The stains would not adhere to the bacteria.
錯誤。染劑仍可與細菌細胞及其細胞壁結構作用。未熱固定的主要問題是細菌未固定在玻片上，而不是染劑無法附著於細菌。只要細菌尚未被沖掉，仍可能完成染色。

此題考驗考生對 SARS-CoV-2 病毒分類的知識。SARS-CoV-2（嚴重急性呼吸道症候群冠狀病毒 2）是引起 COVID-19 疾病的病原體。

• A. Herpesvirus (疱疹病毒)：是一類 DNA 病毒，引起如單純疱疹、帶狀疱疹、EB 病毒感染等。
• B. Adenovirus (腺病毒)：是一類 DNA 病毒，可引起呼吸道感染、結膜炎等。

此題考驗考生對血管張力素轉化酶 2 (Angiotensin-converting enzyme 2, ACE2) 在 SARS-CoV-2 感染中的作用的理解。ACE2 是一種蛋白質，在人體內有多種功能。題目要求選出 ACE2 不是的選項。

• A. Membrane protein (膜蛋白)：ACE2 是一種跨膜蛋白，錨定在細胞膜上，特別是在肺部、心臟、腎臟和腸道細胞的表面。此敘述正確。

• B. SARS-CoV-2 receptor (SARS-CoV-2 受體)：ACE2 被證實是 SARS-CoV-2 病毒進入宿主細胞的主要受體。病毒的棘狀蛋白（spike protein）與 ACE2 結合，介導病毒進入細胞。此敘述正確。

• C. Vasodilator (血管擴張劑)：ACE2 是腎素-血管張力素系統（RAAS）的一部分。

此題考驗考生對 SARS-CoV-2 病毒複製機制及病毒蛋白功能的理解。RNA 依賴性 RNA 聚合酶（RNA-dependent RNA polymerase, RdRp）是 RNA 病毒複製的核心酶。題目要求選出 RdRp 不是的身份或功能。

SARS-CoV-2 是一種 RNA 病毒，其基因組 RNA 需要被複製以產生新的病毒顆粒。這個複製過程由病毒編碼的 RNA 依賴性 RNA 聚合酶負責。

• A. Non-structural protein (非結構蛋白)：SARS-CoV-2 的基因組 RNA 編碼了幾種結構蛋白（如 Spike, Envelope, Membrane, Nucleocapsid）和多種非結構蛋白（non-structural proteins, nsp）。RdRp 是由病毒基因組中的 nsp12 編碼的，因此它是一種非結構蛋白。此敘述正確。

• B. Structural protein (結構蛋白)：結構蛋白是構成病毒顆粒的基本組分，如 Spike 蛋白、膜蛋白（M）、包膜蛋白（E）和核殼蛋白（N）。

此題考驗考生對 SARS-CoV-2 病毒結構與功能的理解。棘狀蛋白（Spike protein, S protein）是 SARS-CoV-2 病毒顆粒表面的關鍵組分，在病毒感染中起重要作用。題目要求選出棘狀蛋白不是的身份或功能。

• A. Structural protein (結構蛋白)：棘狀蛋白是構成病毒顆粒表面的主要蛋白質，是病毒的結構成分之一。此敘述正確。

• B. Polymerase (聚合酶)：聚合酶（如 RNA 聚合酶）是參與核酸合成的酶。SARS-CoV-2 的複製依賴於其自身的 RNA 依賴性 RNA 聚合酶（RdRp），棘狀蛋白本身不具有聚合酶活性。此敘述是正確的（即棘狀蛋白不是聚合酶）。

• C. Enveloped protein (包膜蛋白)：SARS-CoV-2 是一種有包膜病毒（enveloped virus）。其包膜（envelope）是由宿主細胞膜衍生而來，嵌入了病毒編碼的結構蛋白，其中就包括棘狀蛋白。

此題考驗考生對 SARS-CoV-2 變異株的知識，特別是 Omicron 變異株的後續亞型。Omicron 變異株（B.1.1.529）在出現後，又演化出了許多亞型（subvariants），這些亞型通常以字母和數字組合命名（如 BA.x, BQ.x, XBB.x 等）。

此題考驗考生對市面上不同 SARS-CoV-2 疫苗技術平台的了解。題目要求選出一個錯誤的敘述。

• A. Moderna vaccines are mRNA vaccines.

  • Moderna 的 COVID-19 疫苗（Spikevax）是一種 mRNA 疫苗，其機制是將編碼 SARS-CoV-2 棘狀蛋白的 mRNA 導入人體，誘導產生免疫反應。此敘述正確。

• B. Pfizer-BioNTech vaccines are mRNA vaccines.

  • 輝瑞/BioNTech 的 COVID-19 疫苗（Comirnaty）也是一種 mRNA 疫苗，與 Moderna 疫苗類似。此敘述正確。

• C. AstraZeneca vaccines are virus vector vaccines.

  • AstraZeneca 的 COVID-19 疫苗（Vaxzevria）是一種病毒載體疫苗（virus vector vaccine）。

此題考驗考生對病毒基本特徵的全面了解。題目要求選出一個關於病毒的不正確敘述。

• A. Animal and plant cells are the only cells infected by these viruses.

  • 病毒可以感染所有類型的細胞，包括動物細胞、植物細胞、真菌細胞，甚至細菌（這些病毒稱為噬菌體，bacteriophages）。
  • 因此，此敘述「Animal and plant cells are the only cells infected by these viruses」是錯誤的。

• B. It is possible for them to exist intracellularly or extracellularly.

  • 病毒在宿主細胞外時，以**病毒顆粒（virion）**的形式存在，這是一種相對穩定的狀態，可以在環境中傳播。
  • 在宿主細胞內時，病毒會進行複製，此時病毒的遺傳物質和蛋白質在細胞內，或者組裝成新的病毒顆粒。
  • 因此，病毒可以存在於細胞內或細胞外。

此題考驗考生對病毒結構組成的基本術語的掌握。題目要求選出「完整的病毒顆粒」的稱呼。

• A. Matrix (基質)：在某些有包膜病毒中，包膜內側可能有一層蛋白質基質，但這不是指整個病毒顆粒。
• B. Envelope (包膜)：包膜是有包膜病毒（enveloped viruses）外層的脂質膜，由宿主細胞膜衍生而來，嵌入病毒蛋白。它只是病毒的一部分，不是完整的病毒顆粒。

此題考驗考生對病毒衣殼（capsid）結構組成的術語。衣殼是由許多蛋白質亞單位組成的。題目要求選出衣殼蛋白質亞單位的名稱。

• A. Viromers：這個術語不常用於描述病毒衣殼的蛋白質亞單位。
• B. Protomers (原體)：**原體（protomer）**是構成病毒衣殼的基本蛋白質亞單位，通常指一個或幾個多肽鏈組成的功能單元。這些原體進一步組裝成更大的結構單元（如衣殼粒 capsomere），最終形成完整的衣殼。
• C. Auxomers：這個術語與病毒學無關。

此題考驗考生對有包膜病毒（enveloped virus）結構組成的理解。題目要求選出「除了包膜之外，包含病毒核酸和周圍蛋白質外殼」的部分。

• A. Endosome (內體)：內體是真核細胞內吞作用形成的囊泡，與病毒無關。
• B. Ribosome (核糖體)：核糖體是細胞內的蛋白質合成器，病毒沒有核糖體。
• C. Matrix (基質)：基質蛋白（matrix protein）是某些有包膜病毒包膜內側的一層蛋白質，位於衣殼和包膜之間，起連接作用，但它不是病毒的核酸和蛋白質外殼。

此題考驗考生對有包膜病毒表面棘狀突起（glycoprotein spikes）功能的理解。題目要求選出棘狀突起的主要功能。

• A. Binding to host cell (結合宿主細胞)：病毒表面的棘狀突起（如 SARS-CoV-2 的 S 蛋白）通常包含受體結合域（receptor-binding domain, RBD），它們能夠特異性地識別並結合宿主細胞表面的相應受體。這是病毒感染宿主細胞的第一步，至關重要。此功能正確。

機會性病原體 (Opportunistic pathogens)

機會性病原體是指那些在正常情況下，對於免疫系統健全的宿主而言，通常不會引起疾病，或者只引起輕微疾病的微生物（包括細菌、真菌、病毒、寄生蟲等）。然而，當宿主的免疫防禦能力下降時，這些微生物就可能乘虛而入，導致嚴重的感染。

引發機會性感染的常見情況包括：

1. 免疫缺陷：例如愛滋病（AIDS）患者的 CD4+ T 細胞數量極低，容易感染 Pneumocystis jirovecii（耶氏肺囊蟲）、Candida albicans（白色念珠菌）、Toxoplasma gondii（弓形蟲）等。
2. 免疫抑制治療：如器官移植後的病人或接受化療的癌症病人，使用免疫抑制劑會降低抵抗力。
3. 皮膚或黏膜屏障的破損：例如手術傷口、燒傷、導管植入等，可能讓原本無害的共生菌進入體內引發感染。
4. 特定器官的異常：例如尿路結石可能導致細菌（如 E. coli）在尿路中滋生。
5. 年齡因素：新生兒或老年人的免疫系統相對較弱。
6. 營養不良：影響免疫系統功能。

菌落形成單位 (Colony Forming Units, CFU)

菌落形成單位（CFU）是一個用於衡量液體樣本中具有活性的微生物數量的單位。它代表了在適當的培養基上，能夠生長並形成一個可見菌落（colony）的微生物細胞或細胞團的數量。

概念與應用：

1. 定義：一個 CFU 通常指一個單一的活細菌細胞、酵母細胞，或者是一個細胞團（例如鏈球菌的鏈狀細胞）在培養過程中，通過不斷分裂增殖，最終形成一個肉眼可見的、由該起始細胞或細胞團繁殖而來的集合體，即一個菌落。
2. 測量方法：
   • 稀釋塗抹法 (Spread Plate Method)：將待測樣本（如水樣、食物樣品、臨床樣本）進行一系列的梯度稀釋，然後取一定體積的稀釋液均勻塗抹在預製的固體培養平板上。
   • 鋪板法 (Pour Plate Method)：將待測樣本與融化的、但已冷卻的培養基混合，然後倒入培養皿中，待培養基凝固後進行培養。
   • 在上述方法中，經過適當的培養（溫度、時間、氣體條件等），只有活的、有繁殖能力的微生物才能生長形成菌落。
3. 計算：計算平板上形成的菌落數量。為了得到有意義的結果，通常選擇菌落數量在 30-300 個之間的平板進行計數（此範圍稱為「可數範圍」或「統計學上可接受範圍」）。
   • CFU/mL (每毫升菌落形成單位)：計算公式為：
     $\text{CFU/mL} = \frac{\text{菌落數 (Colony Count)}}{\text{稀釋倍數 (Dilution Factor)} \times \text{取樣體積 (Volume Plated in mL)}}$
     例如，如果將樣本稀釋 10$^5$ 倍，取 0.1 mL 塗抹在平板上，得到 50 個菌落，那麼：
     $\text{CFU/mL} = \frac{50}{10^5 \times 0.1 \text{ mL}} = \frac{50}{10^4} = 5 \times 10^{-3} \text{ CFU/mL}$

轉錄組 (Transcriptome)

轉錄組（Transcriptome）是指一個細胞、一個組織或一個生物體在特定時間點、特定條件下，所表達的全部 RNA 分子的集合。這包括信使 RNA（mRNA）、轉運 RNA（tRNA）、核糖體 RNA（rRNA）、小分子 RNA（如 microRNA, miRNA；小干擾 RNA, siRNA；長非編碼 RNA, lncRNA）等。

概念與意義：

1. 基因表達的快照：轉錄組代表了細胞在某一時刻的基因表達狀態。通過分析轉錄組，我們可以了解哪些基因正在被轉錄成 RNA，以及這些 RNA 的豐度。這提供了對細胞功能和生理狀態的深刻見解。
2. 動態變化：轉錄組不是靜態的，它會隨著細胞的發育階段、環境變化（如溫度、營養、壓力）、疾病狀態、藥物處理等因素而發生動態變化。
3. 與基因組的區別：基因組（Genome）是指一個生物體全部的 DNA 序列，它相對穩定。而轉錄組是基因組中被選擇性表達的部分，其組成和豐度是動態變化的。

滲壓適應菌 (Osmophiles)

滲壓適應菌（Osmophiles）是指那些能夠在高滲透壓（high osmotic pressure）環境中生長和繁殖的微生物。滲透壓是指溶液中溶質的濃度，高滲透壓環境意味著溶液中溶質（如糖、鹽）的濃度遠高於微生物細胞內部的濃度。

機制與特徵：

1. 細胞內滲透壓調節：
   • 累積相容性溶質 (Compatible Solutes)：滲壓適應菌能夠在細胞內累積大量的相容性溶質，如甘油（glycerol）、甜菜鹼（betaine）、脯氨酸（proline）、海藻糖（trehalose）等。這些溶質在細胞內濃度很高，可以提高細胞內滲透壓，使其與外部高滲透壓環境相匹配，防止水分從細胞內流失。
   • 相容性：這些累積的溶質被稱為「相容性」是因為它們在高濃度下對細胞的代謝和結構不會造成顯著的損害。
2. 細胞壁與細胞膜的強化：
   • 某些滲壓適應菌，特別是酵母菌，其細胞壁可能更厚或結構更堅固，有助於抵抗外部滲透壓的壓力。
   • 細胞膜的組成也可能發生變化，以維持其穩定性和功能。
3. 耐受性：它們能夠耐受細胞因失水而導致的代謝活性下降，並在滲透壓適宜時恢復正常生長。

常見的滲壓適應菌類型：

生物復育 / 生物復原 (Bioremediation)

生物復育（Bioremediation）是指利用生物體（主要是微生物，但也包括植物或酶）來降解或轉化環境中的污染物，從而達到淨化環境的目的。這是一種環境友善、成本效益高且可持續的污染處理技術。

基本原理：

生物復育的核心是利用生物體（特別是微生物）的代謝能力，將有毒有害的污染物轉化為無害的物質，例如水（H$_2$O）、二氧化碳（CO$_2$）、氮氣（N$_2$）或無毒的有機物。

主要類型：

1. 原位生物復育 (In-situ Bioremediation)：

   • 指在污染物存在的現場進行處理，不將受污染的介質（土壤、地下水等）移走。
   • 優點：對環境干擾小，成本較低。
   • 缺點：處理速度可能較慢，效果受現場條件限制。
   • 例子：在地下水污染現場，向污染區域注入氧氣或營養物，刺激本地微生物降解污染物；或向土壤中注入微生物菌劑。

2. 異位生物復育 (Ex-situ Bioremediation)：

   • 指將受污染的介質（土壤、沉積物、地下水等）移到另一個地方進行處理。
   • 優點：可以更好地控制處理條件（溫度、pH、氧氣、營養物），處理速度快，效果可預測性高。
   • 缺點：成本較高，需要運輸和處理設施，可能對環境造成二次干擾。
   • 例子：
     • 堆肥法 (Composting)：將受污染土壤與有機物（如農業廢棄物）混合，利用微生物發酵降解污染物。

球菌體 (Spheroplast)

球菌體（Spheroplast）是指一種經過處理（通常是化學處理或酶解）而移除了部分或全部細胞壁的細菌細胞。

形成與特徵：

1. 細胞壁的移除：
   • 酶解法：最常見的方法是使用溶菌酶（lysozyme）。溶菌酶能夠水解細菌細胞壁中的肽聚醣（peptidoglycan）層，這是細胞壁的主要結構成分。
   • 化學法：在某些情況下，也可能使用化學方法來處理細胞壁。
2. 滲透壓保護：
   • 細胞壁對於維持細菌細胞的形態和抵抗細胞內滲透壓至關重要。如果細胞壁被完全移除，細胞內的滲透壓會導致細胞膨脹甚至破裂（裂解，lysis）。
   • 因此，在處理過程中，必須將細菌置於一個等滲透壓或高滲透壓的溶液中（例如含有蔗糖或甘露醇的緩衝液），以防止細胞裂解。
3. 球狀形態：
   • 由於細胞壁的支撐作用消失，細胞會呈現出球狀或近似球狀的形態，這也是「球菌體」名稱的由來。
4. 與原狀態的區別：
   • 革蘭氏陽性菌：細胞壁主要由厚層肽聚醣組成。

萬能系統發生樹 / 普適系統發生樹 (Universal Phylogenetic Tree)

萬能系統發生樹（Universal Phylogenetic Tree），或稱普適系統發生樹，是基於比較所有已知生物中保守的分子序列（最常見的是 16S 或 23S 核糖體 RNA, rRNA，或編碼這些 rRNA 的基因）構建的，用來展示地球上所有生命形式之間進化關係的系統發生樹。

核心概念：

1. 基於保守的分子標記：
   • 16S rRNA（細菌和古菌）和 18S rRNA（真核生物）是核糖體 RNA 的小亞單位組成部分，它們在所有生命中都存在，並且在進化過程中相對保守。
   • 由於所有細胞生物都需要核糖體來合成蛋白質，這些 rRNA 的序列在進化過程中受到嚴格的選擇壓力，因此它們的序列變化可以反映生物之間的進化距離。
   • 通過比較不同生物的 16S rRNA（或 18S rRNA）序列，可以計算出它們之間的差異程度，進而構建進化關係圖。
2. 三大域的劃分：
   • 基於對 rRNA 序列的廣泛比較，Carl Woese 在 1977 年首次提出了基於分子生物學的**三大域（Domains）**分類系統：
     • 細菌域 (Bacteria)
     • 古菌域 (Archaea)
     • 真核域 (Eukarya)

兼性厭氧菌 (Facultative anaerobe)

兼性厭氧菌（Facultative anaerobe）是指一類微生物，牠們在有氧氣存在的環境下可以進行有氧呼吸（aerobic respiration），而在無氧氣存在的環境下則可以進行**無氧呼吸（anaerobic respiration）或發酵（fermentation）**來獲取能量。

關鍵特徵：

1. 靈活的能量代謝：
   • 有氧條件下：兼性厭氧菌能夠利用氧氣作為最終電子受體，通過細胞色素系統進行高效的有氧呼吸，產生大量的 ATP。
   • 無氧條件下：牠們可以轉為利用其他非氧氣的無機物（如硝酸鹽、硫酸鹽、鐵離子等）作為最終電子受體進行無氧呼吸，或者通過發酵途徑，將有機物分解產生 ATP。雖然無氧呼吸和發酵的 ATP 產量通常低於有氧呼吸，但足以維持其生存。
2. 適應性強：由於其代謝的靈活性，兼性厭氧菌能夠在多種不同的環境條件下生存，這使得牠們在自然界和醫學上都非常普遍。
3. 常見例子：

SARS-CoV-2 免疫逃逸 (SARS-CoV-2 Immune Escape)

SARS-CoV-2 免疫逃逸（SARS-CoV-2 Immune Escape）是指 SARS-CoV-2 病毒通過演化產生突變，使其能夠規避或減弱宿主免疫系統的識別和清除能力的現象。這使得病毒能夠持續感染宿主，或者再次感染已經感染過或接種過疫苗的個體。

機制：

免疫逃逸通常發生在病毒的表面蛋白上，這些蛋白是免疫系統（特別是抗體）識別的主要目標。對於 SARS-CoV-2 而言，最關鍵的逃逸機制發生在其**棘狀蛋白（Spike protein）**上。

1. 抗體結合位點突變：
   • 病毒棘狀蛋白上的某些區域（特別是受體結合域，RBD）容易發生突變。這些突變可以改變病毒表面的抗原決定位點（epitopes），使得先前由感染或疫苗產生的抗體無法有效結合或中和病毒。
   • 例如，Omicron 變異株的棘狀蛋白上攜帶了大量的突變，其中許多突變位於抗體識別的關鍵區域，導致其對先前感染（如 Delta 變異株感染）或早期疫苗產生的免疫保護產生顯著的逃逸。
2. 影響 T 細胞識別：

長新冠 / 新冠後遺症 (Long COVID)

長新冠（Long COVID），也稱為新冠後遺症（Post-COVID-19 condition），是指部分感染 SARS-CoV-2 病毒的患者，即使在急性感染期結束後，仍然持續出現或發展出各種健康問題，這些症狀可能持續數週、數月甚至數年，影響患者的日常生活。

定義與特徵：

• 持續時間：根據世界衛生組織（WHO）的定義，長新冠是指在感染 SARS-CoV-2 後，出現的、持續時間至少為兩個月的健康問題，並且這些問題無法用其他診斷來解釋。這些症狀通常在感染後三個月內出現，並可能在感染後持續存在。
• 症狀多樣性：長新冠的症狀非常多樣，影響身體的多個系統，包括：
  • 呼吸系統：持續咳嗽、呼吸困難、胸悶。
  • 神經系統：腦霧（brain fog，思維遲鈍、記憶力下降、注意力不集中）、頭痛、睡眠障礙、疲勞、嗅覺或味覺異常（持續存在）。
  • 心血管系統：心悸、胸痛、血壓異常。
  • 肌肉骨骼系統：關節痛、肌肉痛。
  • 精神心理：焦慮、抑鬱。
  • 其他：持續的疲勞感（fatigue）是最常見的症狀之一。

抗體依賴性增強作用 (Antibody-Dependent Enhancement, ADE)

抗體依賴性增強作用（Antibody-Dependent Enhancement, ADE）是一種免疫病理現象，是指某些情況下，宿主體內存在的非中和性抗體（non-neutralizing antibodies），反而會增強病原體（特別是病毒）對宿主細胞的感染能力，導致更嚴重的疾病。

機制：

1. 非中和性抗體的形成：
   • 當宿主感染某種病原體，或接種了含有部分抗原但無法完全中和病原體的疫苗時，可能會產生針對病原體表面抗原的抗體。
   • 如果這些抗體不能有效結合並中和病原體（例如，抗體僅結合到病原體的一個非關鍵區域，或者抗體親和力不足），它們就被稱為非中和性抗體。
2. 促進病原體進入宿主細胞：
   • ADE 的關鍵在於，這些非中和性抗體可以與病原體結合。
   • 隨後，這些結合了抗體的病原體，會被宿主細胞表面的Fc 受體 (Fc receptors) 識別和結合。Fc 受體通常存在於免疫細胞（如巨噬細胞、單核細胞、樹突狀細胞）表面，用於識別被抗體標記的病原體，以便進行吞噬和清除。
   • 然而，在 ADE 的情況下，病原體與 Fc 受體的結合，反而促進了病原體進入宿主細胞，特別是進入那些表達 Fc 受體的免疫細胞。
3. 增強病毒複製與致病性：

SARS-CoV-2 假病毒 (SARS-CoV-2 Pseudovirus)

SARS-CoV-2 假病毒（SARS-CoV-2 Pseudovirus），也稱為假型病毒（pseudotyped virus）或假病毒顆粒（pseudovirions），是一種人工構建的病毒樣結構，它不包含完整的 SARS-CoV-2 病毒基因組，但攜帶 SARS-CoV-2 的表面蛋白（主要是棘狀蛋白 Spike protein）。

構建原理：

假病毒通常是通過**共轉染（co-transfection）或共表達（co-expression）**兩種或多種質粒（plasmids）在哺乳動物細胞（如 HEK293T 細胞）中製備的。

1. 質粒 1 (包裝質粒, Packaging Plasmid)：編碼假病毒顆粒所需的結構蛋白（如 Gag, Pol, Env），這些蛋白能夠組裝形成病毒樣的核心結構，但不包含 SARS-CoV-2 的棘狀蛋白。這個質粒通常來自一種不相關的病毒（例如，慢病毒 lentivirus 或 VSV 病毒），它提供病毒顆粒的「內核」和包膜。
2. 質粒 2 (偽型質粒, Pseudotyping Plasmid)：這個質粒編碼 SARS-CoV-2 的棘狀蛋白（Spike protein），並使其能夠表達在細胞表面或被分泌到細胞外。
3. 細胞的蛋白質合成與組裝：當這些質粒在細胞內表達時，細胞會同時合成來自包裝質粒的結構蛋白和來自偽型質粒的 SARS-CoV-2 棘狀蛋白。
4. 病毒樣顆粒的釋放：細胞會將這些結構蛋白組裝成病毒樣顆粒，並將 SARS-CoV-2 的棘狀蛋白插入到這些顆粒的外膜上。

16S 核糖體 DNA (16S rDNA) 序列在細菌鑑定和系統發生重建中的廣泛應用原因

16S 核糖體 DNA（16S rDNA）序列之所以被廣泛用於細菌鑑定和系統發生重建，是因為它具備了以下幾個關鍵特性：

1. 普遍存在性 (Ubiquity)：

   • 16S rRNA 基因存在於所有細菌和古菌中，它們是核糖體（蛋白質合成的細胞機器）的重要組成部分。這意味著幾乎所有細菌樣本都能提供 16S rDNA 序列，便於進行廣泛的比較。

2. 保守性與變異性結合 (Combination of Conservation and Variation)：

   • 保守區域 (Conserved Regions)：16S rRNA 基因序列中存在一些高度保守的區域。這些區域在不同細菌種類之間變化很小，這使得我們能夠設計通用的引物（primers）來擴增所有細菌（或大部分細菌）的 16S rDNA 序列，並且能夠在不同樣本之間進行序列比對，確定它們的親緣關係。
   • 可變區域 (Variable Regions)：同時，16S rRNA 基因序列中也存在一些可變區域（通常有 9 個左右的 hiper變區，hypervariable regions, HVRs）。這些區域的序列在不同細菌物種之間差異較大。這些差異提供了足夠的「分子指紋」來區分不同的細菌，甚至不同的菌株。
     • 用於鑑定：可變區的獨特性質可以作為細菌的「條形碼」，通過與資料庫中的已知序列比對，精確鑑定細菌的屬、種甚至亞種。

根癌農桿菌 (Agrobacterium tumefaciens) 的重要性

根癌農桿菌（Agrobacterium tumefaciens，現多稱為 Agrobacterium tumefaciens）之所以重要，主要因為它在植物科學、基因工程以及腫瘤生物學研究中扮演著獨特的角色。

1. 植物基因工程的天然載體：
   • 根癌農桿菌能夠自然地將其質粒（T-DNA）上的基因整合到植物細胞的基因組中，引起植物的腫瘤（crown gall disease）。
   • 科學家們利用了這一特性，通過改造根癌農桿菌的 T-DNA 區域，將我們希望導入植物的基因（例如抗病基因、抗蟲基因、提高產量或改變性狀的基因）插入其中。
   • 當根癌農桿菌感染植物時，它會將這些外源基因一同轉移到植物基因組中，從而實現基因的轉化。

營養缺陷型細菌 (Auxotrophic bacteria)

營養缺陷型細菌（Auxotrophic bacteria）是指一類細菌，牠們由於基因突變，失去了合成某種必需營養素（如胺基酸、核苷酸、維生素等）的能力，因此必須在培養基中額外添加這些它們無法自行合成的營養素，才能正常生長和繁殖。

與野生型細菌的對比：

• 野生型細菌 (Wild-type bacteria)：能夠自行合成生長所需的所有必需有機化合物。
• 營養缺陷型細菌 (Auxotrophs)：比野生型細菌在營養需求上更為嚴格，需要從外部環境獲取某些它們無法合成的有機化合物。

形成原因：

營養缺陷型細菌通常是由野生型細菌發生基因突變引起的。這些突變可能發生在合成某種必需營養素的代謝途徑中的關鍵酶基因上，導致酶的活性喪失或降低，從而阻斷了該營養素的合成。

測定微生物種群數量的三種技術及其優缺點

測定微生物種群數量是微生物學研究中的基本任務，尤其在環境微生物學、食品微生物學、臨床診斷和工業微生物學中至關重要。以下介紹三種常用的技術：

1. 菌落計數法 (Plate Count Method) / 稀釋塗抹法 (Spread Plate) 或 鋪板法 (Pour Plate)

• 原理：基於活的、具有繁殖能力的微生物細胞在適當的培養基上生長形成可見菌落的原理。通過將樣本稀釋後接種到培養基上，然後計算形成的菌落數量，並根據稀釋倍數推算出原始樣本中每單位體積（通常是 CFU/mL）的活菌數量。
• 優點：
  • 衡量活菌數量：這是唯一能直接測量具有繁殖能力的活細胞數量的標準方法。
  • 相對簡單且成本較低：實驗操作相對直接，所需設備（培養箱、培養皿、培養基）相對容易獲得。
  • 靈活性高：適用於多種微生物，可通過選擇不同的培養基和培養條件來培養特定類型的微生物。
• 缺點：
  • 耗時長：需要經過稀釋、接種、培養（通常需要 24-72 小時或更長）等步驟，結果獲得較慢。
  • 僅計數可培養的微生物：許多微生物（例如，對培養基要求苛刻、生長緩慢或處於休眠狀態的微生物）可能無法在標準培養條件下生長，因此此方法會低估樣本中的總微生物數量。
  • 可能存在誤差：稀釋誤差、接種不均、菌落癒合（鏈狀菌落）等都可能影響結果的準確性。
  • 細胞團的問題：對於形成細胞團的細菌（如鏈球菌），一個菌落可能來自多個細胞，導致 CFU 數低於細胞總數。

2. 直接鏡檢計數法 (Direct Microscopic Count)

• 原理：將樣本（通常是懸浮液）直接滴在特殊設計的計數室 (counting chamber)（如血球計數盤 hemocytometer）上，然後在顯微鏡下直接觀察並計數一定體積內的細胞數量。
• 優點：
  • 快速：結果可以很快獲得，無需培養。
  • 可見所有細胞：能夠計數活細胞和死細胞，以及那些在實驗室條件下難以培養的微生物。
  • 成本低：主要設備是顯微鏡和計數盤。
• 缺點：
  • 無法區分活細胞和死細胞：計數結果包含活的和死的細胞，這在需要了解微生物活性時是一個重大限制。
  • 技術要求高：需要熟練的操作技巧才能準確計數，尤其是在細胞濃度較低或細胞較小時。
  • 低濃度樣品誤差大：當樣本中微生物濃度很低時，在計數盤上看到的細胞數量很少，統計誤差會很大。