113 年 國立臺灣海洋大學食品科學系碩士班生物科技組《微生物學》

此題主要在探討基因突變的兩種類型：移碼突變 (frameshift mutation) 和同義突變 (silent mutation)。

移碼突變 (Frameshift Mutation)
移碼突變是指在 DNA 序列中，鹼基的插入 (insertion) 或刪除 (deletion) 導致讀碼框 (reading frame) 發生偏移。由於 DNA 的遺傳密碼是以三個核苷酸為一組（稱為密碼子 codon）來決定胺基酸序列，當插入或刪除的鹼基數不是三個的倍數時，就會改變之後所有密碼子的讀取方式，進而導致胺基酸序列的改變。

此題考查動物病毒複製週期的六個主要步驟。動物病毒的複製週期與噬菌體有相似之處，但由於動物細胞結構複雜且無細胞壁，因此在進入細胞、釋放等方面有所不同。

動物病毒複製週期的六個主要步驟依序為：

1. 吸附 (Adsorption/Attachment)：病毒顆粒透過其表面結構（如病毒外殼的蛋白質或醣蛋白）與宿主細胞表面的特定受體結合。這種結合具有專一性，決定了病毒對宿主細胞的親和性。

2. 侵入 (Penetration/Entry)：病毒或其遺傳物質進入宿主細胞。動物病毒進入細胞的方式有多種，包括：

   • 直接穿透 (Direct penetration)：病毒直接穿過細胞膜進入細胞質。
   • 胞吞作用 (Endocytosis)：宿主細胞膜將病毒包圍並內吞，形成一個含有病毒的囊泡進入細胞質。
   • 膜融合 (Membrane fusion)：病毒的包膜與宿主細胞膜融合，將病毒的衣殼或遺傳物質直接釋放到細胞質中。

此題考查影響消毒 (disinfection) 效果的關鍵因素。消毒是指利用化學或物理方法殺滅或移除物體表面或組織中的大部分微生物，但通常無法保證殺滅所有微生物，特別是細菌的內孢子。

影響消毒效果的四個主要因素包括：

1. 消毒劑的種類和濃度 (Type and concentration of the disinfectant)：不同的消毒劑對微生物的殺滅能力不同。例如，某些消毒劑對細菌有效，但對病毒或真菌效果較差；而另一些則對內孢子有殺滅作用。同時，消毒劑的濃度越高，其殺滅微生物的速度和效果通常越好，但過高的濃度也可能產生毒性或腐蝕性。

2. 作用時間 (Contact time)：消毒劑需要足夠的時間才能有效殺滅微生物。作用時間太短，微生物可能來不及被殺滅。一般來說，作用時間越長，消毒效果越好，但超過一定時間後，效果的提升會減緩。

3. 微生物的種類和數量 (Type and number of microorganisms)：不同種類的微生物對消毒劑的敏感度不同。例如，革蘭氏陽性菌通常比革蘭氏陰性菌敏感，而病毒和真菌的敏感度也各異。細菌的內孢子是已知最頑強的微生物形態，對大多數消毒劑具有抗性。

此題考查聚合酶鏈式反應 (Polymerase Chain Reaction, PCR) 的基本原理。PCR 是一種體外擴增特定 DNA 片段的技術，其核心原理是利用 DNA 聚合酶 (DNA polymerase) 在引子 (primer) 的引導下，對目標 DNA 進行指數級的複製。

PCR 的基本原理可以分解為以下幾個關鍵步驟，這些步驟在一個熱循環儀 (thermocycler) 中重複進行：

1. 變性 (Denaturation)：將雙股 DNA 模板加熱至高溫（通常為 94-98°C），破壞 DNA 雙螺旋結構中的氫鍵，使其分離成兩條單股 DNA 鏈。這兩條單股 DNA 將作為後續反應的模板。

2. 退火 (Annealing)：將反應溫度降低（通常在 50-65°C 之間，具體溫度取決於引子的長度和序列），使得短的 DNA 引子能夠與模板 DNA 上的互補序列結合（退火）。PCR 使用兩種引子，分別結合在目標 DNA 片段的兩端，定義了需要擴增的區域。

3. 延伸 (Extension/Elongation)：將反應溫度升高至 DNA 聚合酶最適宜的工作溫度（通常是 72°C，對於 Taq 聚合酶而言）。

此題考查原核生物基因表達調控的重要結構單元——操縱組 (operon) 的結構。操縱組是由一組在功能上相關的基因，以及調控這些基因表達的 DNA 調控序列所組成。

一個典型的操縱組結構包含以下幾個關鍵組成部分：

1. 結構基因 (Structural genes)：這是編碼特定蛋白質（通常是參與同一代謝途徑的酶）的基因。這些基因通常是連續排列在 DNA 上的，並且由同一個啟動子控制，形成一個轉錄單元 (transcription unit)，可以被轉錄成一個多順位 mRNA (polycistronic mRNA)。

2. 啟動子 (Promoter)：這是位於結構基因上游（5' 端）的一段 DNA 序列，是 RNA 聚合酶結合並開始轉錄的位點。RNA 聚合酶結合到啟動子上，然後沿著 DNA 移動，開始轉錄。

3. 操縱子/操縱區 (Operator)：這是位於啟動子下游（緊鄰結構基因上游）的一段 DNA 序列。操縱子的功能是作為阻遏蛋白 (repressor protein) 的結合位點。當阻遏蛋白結合到操縱子上時，它會阻礙 RNA 聚合酶沿著 DNA 移動，從而阻止結構基因的轉錄。

4. 調控基因 (Regulatory gene)：這個基因通常位於操縱組的其他地方（可能在啟動子和操縱子上游，或在另一個染色體區域），負責編碼一個調控蛋白

此題主要探討原核生物和真核生物在轉錄 (transcription) 與轉譯 (translation) 耦合 (coupling) 上的差異。這種差異源於細胞結構的不同。

原核生物 (Prokaryotes)：
原核生物沒有細胞核，其 DNA 位於細胞質中。轉錄過程發生在細胞質，而轉譯過程也發生在細胞質。由於沒有核膜的隔離，當 mRNA 分子剛合成出來，其 5' 端還在轉錄過程中，3' 端可能還在合成時，核糖體 (ribosome) 就可以附著在 mRNA 的 5' 端，並開始進行轉譯。這種現象稱為轉錄與轉譯的耦合 (transcription-translation coupling)。這大大提高了蛋白質合成的效率。

真核生物 (Eukaryotes)：
真核生物具有細胞核，DNA 位於細胞核內，而轉譯主要發生在細胞質（或附著在內質網上的核糖體）。轉錄過程發生在細胞核內，產生前體 mRNA (pre-mRNA)。

此題為英文翻譯題，要求將一段關於糧食需求與人口增長的英文敘述翻譯成中文。翻譯的重點在於準確傳達原文的語意、維持句子的流暢性，並使用適當的專業術語。

原文分析與翻譯：

1. "The increasing food demand and sufficient food production with an increasing population are one of the major concerns for the twenty first century."

   • "increasing food demand"：不斷增長的糧食需求
   • "sufficient food production"：充足的糧食生產
   • "with an increasing population"：隨著人口的增加
   • "are one of the major concerns"：是主要的關切事項之一
   • "for the twenty first century"：對於二十一世紀
   • 整句翻譯： 隨著人口的增加，不斷增長的糧食需求與充足的糧食生產，是二十一世紀主要的關切事項之一。

2. "At the end of 2033, the increased human population will create demands for food and shelter."

此題考查發酵 (fermentation) 的定義及其與有氧呼吸 (aerobic respiration) 的區別。這兩個都是分解有機物以獲取能量的代謝途徑，但存在顯著差異。

發酵 (Fermentation)：
發酵是一種無氧代謝過程，其中有機分子（通常是葡萄糖）被部分氧化，以產生 ATP。在這個過程中，電子傳遞鏈 (electron transport chain) 不參與，最終電子受體 (final electron acceptor) 是一個來自有機分子本身的有機物（如丙酮酸或其衍生物），而非氧氣。發酵的主要目的是再生 NAD+，使其能夠繼續進行糖解作用 (glycolysis)，從而產生少量 ATP。常見的發酵產物包括乙醇、乳酸、丁二酸等。

有氧呼吸 (Aerobic Respiration)：
有氧呼吸是另一種分解有機物以獲取能量的代謝過程，但它需要氧氣作為最終電子受體。有氧呼吸是一個更為高效的能量生產途徑，通常包括三個主要階段：

1. 糖解作用 (Glycolysis)：在細胞質中將葡萄糖分解為丙酮酸，產生少量 ATP 和 NADH。
2. 丙酮酸氧化與檸檬酸循環 (Pyruvate oxidation and Citric acid cycle)：丙酮酸進入線粒體（真核生物）或細胞質（原核生物），被氧化為乙醯輔酶 A，然後進入檸檬酸循環，進一步氧化產生 CO2，並釋放出大量的 NADH 和 FADH2。
3. 氧化磷酸化 (Oxidative phosphorylation)：NADH 和 FADH2 中的電子通過電子傳遞鏈傳遞，最終被氧氣接受，形成水。電子傳遞過程中釋放的能量用於質子泵送，建立質子梯度，然後通過 ATP 合成酶 (ATP synthase) 產生大量的 ATP。

發酵與有氧呼吸的主要區別：

| 特徵 | 發酵 (Fermentation) | 有氧呼吸 (Aerobic Respiration) |

此題考查微生物學中兩種重要的培養基類型：選擇性培養基 (selective culture media) 和鑑別性培養基 (differential culture media)。它們在分離和鑑定微生物方面起著關鍵作用。

選擇性培養基 (Selective Culture Media)：
選擇性培養基的設計目的是為了抑制某些微生物的生長，同時促進目標微生物的生長。這通常是通過在培養基中添加特定的化學物質來實現的，這些化學物質對某些微生物有毒性或抑制作用，但對目標微生物則沒有影響或影響很小。

• 作用：用於從複雜的微生物混合物中分離出特定種類的微生物。例如，在臨床樣本中分離致病菌，或在環境樣本中分離特定功能的微生物。
• 添加物範例：
  • 抗生素：抑制某些細菌的生長。
  • 染料 (Dyes)：如結晶紫 (crystal violet) 可以抑制革蘭氏陽性菌，常用於選擇性分離革蘭氏陰性菌。
  • 高濃度的鹽 (High salt concentrations)：如麥康凱瓊脂 (MacConkey agar) 中的膽鹽，可以抑制大多數革蘭氏陽性菌的生長，而允許革蘭氏陰性菌生長。
  • 特定營養物質的缺乏：阻止那些無法合成這些營養物質的微生物生長。

鑑別性培養基 (Differential Culture Media)：
鑑別性培養基的設計目的是為了區分在同一培養基上生長的兩種或多種微生物。

此題考查微生物生長曲線 (microbial growth curve) 的四個階段及其特徵。微生物生長曲線通常是通過測量微生物在液體培養基中的數量隨時間變化的情況繪製而成。

微生物的生長曲線一般分為四個階段：

1. 滯後期 (Lag Phase)：

   • 特徵：在這個階段，細胞數量幾乎沒有增加，或者增加非常緩慢。細胞處於適應新環境的狀態。
   • 原因：細胞需要時間來合成必要的酵素和代謝分子，以適應培養基的成分和生長條件。如果細胞是從衰亡期轉移過來的，可能還需要修復受損的細胞結構。

2. 指數期/對數期 (Exponential Phase/Logarithmic Phase)：

   • 特徵：在這個階段，微生物的數量呈指數級增長。細胞生長速度最快，分裂頻率最高。在對數座標圖上，細胞數量的增長呈現一條直線。
   • 原因：細胞已經完全適應了培養基，養分充足，代謝旺盛，細胞分裂速度達到最大。

3. 穩定期 (Stationary Phase)：

   • 特徵：在這個階段，細胞的生長速率與死亡速率大致相等，因此總細胞數量保持相對穩定，不再顯著增加。

此題考查測量微生物生長的方法及其適用條件。測量微生物生長通常是為了評估微生物的數量、活力或生物量。

以下是幾種常用的測量微生物生長的方法及其適用條件：

1. 直接計數法 (Direct Microscopic Count)：

   • 方法：使用專門的計數盤（如血細胞計數盤或專門的微生物計數盤），將一定體積的微生物懸液滴在計數盤上，然後在顯微鏡下直接計數落在特定區域內的細胞數量，再換算成單位體積的細胞數。
   • 適用條件：
     • 適合細胞較大、懸浮性好的微生物（如酵母菌、某些細菌）。
     • 可以區分活細胞和死細胞（如果使用染色劑，如美藍染色）。
     • 可以觀察細胞形態和大小。
     • 缺點是：耗時，需要顯微鏡和計數盤；容易計數錯誤，且無法區分活細胞和死細胞（若未染色）；對細胞密度低的樣品不適用。

2. 極限稀釋法/平板計數法 (Viable Plate Count/Spread Plate/Pour Plate Method)：

   • 方法：將微生物樣品進行一系列梯度稀釋，然後取一定量的稀釋液塗抹在固體培養基表面（塗抹平板法）或與融化的培養基混合後倒入培養皿（傾注平板法）。在適宜的條件下培養後，統計長出的菌落數 (colony-forming units, CFU)。根據稀釋倍數和菌落數，計算出原始樣品中活菌的數量（每毫升或每克）。
   • 適用條件：
     • 只計數活的、能夠在該培養基和條件下生長的微生物。
     • 適用於大多數細菌和真菌。
     • 靈敏度高，可以檢測非常低濃度的微生物。
     • 缺點是：耗時（需要培養時間）；假設每個菌落來自單個活細胞（可能不準確）；對非可培養的微生物無效。

此題考查細菌的營養分類。細菌的營養類型是基於它們獲取能量和碳源的來源來劃分的。

細菌的營養分類主要有以下幾種：

1. 能源來源 (Energy Source)：

   • 化能自營菌 (Chemoautotrophs)：從無機化合物（如 $H_2S$, $NH_3$, $Fe^{2+}$）氧化中獲取能量。
   • 化能異營菌 (Chemoheterotrophs)：從有機化合物中獲取能量。這是大多數細菌和所有動物的營養類型。
   • 光能自營菌 (Photoautotrophs)：利用光能進行光合作用，將 $CO_2$ 轉化為有機物，如藍綠菌 (cyanobacteria)。
   • 光能異營菌 (Photoheterotrophs)：利用光能，但需要有機物作為碳源，如某些紫色細菌和綠色細菌。

2. 碳源來源 (Carbon Source)：

   • 自營菌 (Autotrophs)：以無機碳（主要是 $CO_2$）作為唯一的或主要的碳源來合成有機物。
   • 異營菌 (Heterotrophs)：需要有機化合物作為碳源。

綜合以上兩點，細菌的營養類型可以分為四種基本組合：

此題考查格蘭氏染色法 (Gram staining) 的步驟和原理。格蘭氏染色法是一種常用的鑑別細菌的方法，根據細菌細胞壁結構的差異，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)。

格蘭氏染色法的原理 (Principle of Gram Staining)：
格蘭氏染色法的基礎是細菌細胞壁的結構差異。

• 革蘭氏陽性菌：其細胞壁主要由厚層的肽聚醣 (peptidoglycan) 組成，並含有 teichoic acids。這種結構在脫色劑（如酒精或丙酮）處理後，能夠鎖住初染劑（結晶紫）和媒染劑（碘液）形成的複合物，使細胞保持紫色。
• 革蘭氏陰性菌：其細胞壁結構較為複雜，肽聚醣層較薄，外層還有一層脂多醣 (lipopolysaccharide, LPS) 和外膜 (outer membrane)。脫色劑處理時，會溶解細胞壁中的脂質，並使薄層的肽聚醣結構變得疏鬆，導致結晶紫-碘複合物被洗脫，細胞變為無色。因此，需要進行複染。

格蘭氏染色法的步驟 (Protocol of Gram Staining)：
以下是標準的格蘭氏染色步驟：

1. 製備塗片 (Smear Preparation)：
   • 在乾淨的載玻片上滴一滴生理鹽水或蒸餾水。
   • 取少量待染菌株，與水混合均勻，製成薄薄的菌液塗片。
   • 待塗片乾燥後，用火焰進行熱固定 (heat fixation)，將細菌附著在載玻片上，同時殺死細菌並使蛋白質變性，以便染料能更好地進入細胞。

此題考查原核細胞 (prokaryotic cells) 和真核細胞 (eukaryotic cells) 的主要區別。這是微生物學和細胞生物學中的基礎知識。

原核細胞和真核細胞的主要區別如下：

此題考查顯微鏡學中的「解析度」(resolution) 概念及其影響因素。

解析度 (Resolution) 的定義：
解析度是指顯微鏡能夠分辨兩個緊密相鄰物體的能力。換句話說，解析度越小，顯微鏡分辨兩個物體的能力就越強，能夠看到越精細的結構。通常以兩個物體之間最小的距離來表示。例如，如果一個顯微鏡的解析度是 0.2 微米 (μm)，表示它可以分辨距離為 0.2 μm 或更大的物體，但無法分辨距離小於 0.2 μm 的物體。

影響顯微鏡解析度的因素：
影響顯微鏡解析度的主要因素有以下幾點，這些因素與瑞利準則 (Abbe's diffraction limit) 有關：

1. 光源的波長 ($\lambda$) (Wavelength of light)：

   • 光源的波長越短，解析度越好。這是因為短波長的光能夠更好地穿透和與微小的物體互動，從而提供更精細的圖像。
   • 例如，使用藍光（波長較短）的顯微鏡比使用紅光（波長較長）的顯微鏡解析度更好。電子顯微鏡使用電子束，其波長比可見光短得多，因此解析度遠高於光學顯微鏡。

2. 物鏡的數值孔徑 (Numerical Aperture, NA)：

   • 數值孔徑 (NA) 是衡量物鏡收集光線能力和分辨能力的重要指標。NA 值越高，顯微鏡的解析度越好。

此題考查微生物遺傳學 (microbial genetics) 的定義。微生物遺傳學是研究微生物（如細菌、病毒、真菌、原生生物等）遺傳物質的結構、功能、變異、傳遞和調控的學科。

微生物遺傳學的定義：
微生物遺傳學是遺傳學的一個分支，專門研究微生物的遺傳現象。它關注微生物的基因組（DNA 或 RNA）的組成、結構、複製、突變、重組以及這些遺傳物質如何控制微生物的表型特徵和生命活動。同時，它也研究微生物遺傳物質如何在世代之間傳遞，以及在微生物種群內部如何發生交換和變異。

微生物遺傳學的研究內容包括：

• 基因結構與功能：研究微生物基因的序列、結構、調控元件，以及基因如何編碼蛋白質或 RNA，從而影響微生物的代謝、生長、致病性等。
• 基因複製與遺傳物質的穩定性：研究 DNA 或 RNA 的複製機制，確保遺傳信息的準確傳遞。

此題考查乳酸菌 (lactic acid bacteria) 在發酵產物上的分類，特別是同型乳酸菌 (homofermentative) 和異型乳酸菌 (heterofermentative) 的區別。這兩種菌在利用葡萄糖進行乳酸發酵時，產物種類和比例不同。

同型乳酸菌 (Homofermentative Lactic Acid Bacteria)：

• 定義：這類細菌在發酵葡萄糖時，主要（或幾乎完全）產生乳酸。
• 代謝途徑：它們主要通過糖解作用 (glycolysis) 將葡萄糖分解為丙酮酸，然後丙酮酸被還原為乳酸。
  $\text{Glucose} \xrightarrow{\text{Glycolysis}} 2 \times \text{Pyruvate} \xrightarrow{\text{Lactate dehydrogenase}} 2 \times \text{Lactate}$
• 產物：主要產物是乳酸。理論上，每分子葡萄糖可以產生兩分子乳酸，並伴隨少量 ATP 產生。
• 代表菌種：如乳酸鏈球菌 (Lactococcus lactis)、嗜熱鏈球菌 (Streptococcus thermophilus)、嗜酸乳桿菌 (Lactobacillus acidophilus)。

異型乳酸菌 (Heterofermentative Lactic Acid Bacteria)：

• 定義：這類細菌在發酵葡萄糖時，除了產生乳酸外，還會產生其他多種代謝產物，如乙醇、醋酸、二氧化碳 ($CO_2$) 等。
• 代謝途徑：它們通常通過一個稱為磷酸戊糖途徑 (pentose phosphate pathway) 的變異路徑來代謝葡萄糖。在此過程中，葡萄糖首先被氧化為磷酸葡萄糖酸，然後脫羧生成磷酸戊糖，再經過一系列反應轉化為丙酮酸。最後，丙酮酸被還原成乳酸，但同時也產生其他產物。