111 年 國立臺灣大學食品科技研究所乙組《微生物學（A）》

本題在考驗 HIV 病毒的基因組成。HIV 是一種反轉錄病毒 (retrovirus)，其遺傳物質為 RNA。

HIV 的感染過程包含多個步驟，包括病毒進入宿主細胞、RNA 逆轉錄成 DNA、DNA 整合到宿主基因組、病毒 RNA 和蛋白質的合成、以及病毒顆粒的組裝與釋放。針對這些步驟，可以設計藥物來阻斷。以下列出兩個潛在的藥物作用標靶與說明：

1. 病毒進入宿主細胞的阻斷：HIV 病毒顆粒表面有 gp120 蛋白，它會與宿主細胞表面的 CD4 受體以及輔助受體（如 CCR5 或 CXCR4）結合，進而引發病毒膜與宿主細胞膜的融合，使病毒進入細胞。藥物可以設計成結合 gp120 或 CD4 受體，阻止其結合，或阻斷病毒與輔助受體的結合，或抑制病毒與宿主細胞膜的融合過程。
   • 說明：若病毒無法進入宿主細胞，其感染週期就無法開始，因此這是個有效的阻斷點。例如，CCR5 拮抗劑（如 Maraviroc）就是利用此原理。

Promoter (啟動子) 是 DNA 上的特定序列，位於基因的轉錄起始點上游（通常在 5' 端）。它是 RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 識別並結合的位點，也是開始轉錄的起始點。

Shine-Dalgarno sequence (沙因-達爾加諾序列) 是原核生物 mRNA 上的一個核糖體結合位點，通常位於翻譯起始密碼子 (AUG) 的上游約 6-12 個核苷酸處。這個序列富含嘌呤，並且與 16S 核糖體 RNA (rRNA) 的 3' 端序列（稱為 anti-Shine-Dalgarno sequence）有互補性。

Operon (操縱子) 是原核生物基因調控的基本單位，由一個或多個結構基因 (structural genes) 以及與這些結構基因共同調控表達的啟動子 (promoter)、操縱者 (operator) 和終止子 (terminator) 等元件組成。

Prions (普利昂) 是一種特殊的感染性因子，與傳統的病毒、細菌或真菌不同，它是由一種異常摺疊的蛋白質（稱為 PrPSc）所組成，缺乏遺傳物質（DNA 或 RNA）。PrPSc 能夠誘導與其具有相同序列但正常摺疊形式的蛋白質（稱為 PrPC）發生構象改變，將其轉變為更多的 PrPSc。

Riboswitch (核酶開關) 是一種存在於 mRNA 分子 5' 端非轉譯區 (5' UTR) 的調控元件，它能夠直接與特定的代謝物（小分子配體）結合，並通過改變其二級結構來調控基因的轉錄或轉譯。在細菌中，riboswitch 主要調控轉錄。

其調控轉錄的機制通常如下：

1. 配體結合與結構改變：Riboswitch 區域通常包含一個配體結合域 (ligand-binding domain) 和一個表達控制區 (expression control region)。當特定的小分子配體（如輔酶、胺基酸、金屬離子等）存在時，它會結合到配體結合域。這種結合會引起 riboswitch 的三維結構發生變化。
2. 終止子形成與轉錄終止：在沒有配體結合時，mRNA 的 5' UTR 形成特定的結構，使得 RNA 聚合酶能夠順利進行轉錄。然而，當配體結合後，riboswitch 的結構改變，會導致其形成一個反向重複序列，進而形成一個穩定的莖環結構（terminator stem-loop），這個結構富含 U-A 鹼基對，類似於 rho-independent transcription terminator。

藥物抗性 (drug resistance) 是微生物在長期暴露於藥物環境下，透過演化獲得抵抗藥物殺滅或抑制其生長能力的現象。以下列出三種常見的藥物抗性機制及其詳細說明：

1. 藥物靶點的改變 (Alteration of Drug Target)

   • 說明：許多抗生素的作用機制是結合到微生物體內特定的靶點上，例如酶、核糖體或細胞壁合成的前驅物。藥物抗性可以透過改變這些靶點的結構來實現。例如，細菌的核糖體亞基（如 30S 或 50S）上的 rRNA 發生突變，可能導致抗生素（如四環黴素或大環內酯類）無法有效結合，從而失去抑菌作用。同樣地，盤尼西林等 β-內醯胺類抗生素作用於細菌細胞壁的轉肽酶 (transpeptidase)，若該酶的結構改變，抗生素將無法有效抑制其活性。
   • 例子：
     • 抗結核藥物利福平 (Rifampicin) 抗性：細菌的 DNA 依賴性 RNA 聚合酶的 β-次單元 (rpoB gene) 發生突變，降低了利福平的結合能力。
     • 抗生素鏈黴素 (Streptomycin) 抗性：核糖體 30S 亞基的 16S rRNA 基因發生突變。

2. 藥物失活或降解 (Inactivation or Degradation of the Drug)

   • 說明：微生物可以產生特定的酵素來分解、修飾或化學改造抗生素，使其失去生物活性。這是最常見的抗性機制之一，尤其是在細菌中。
   • 例子：
     • β-內醯胺酶 (β-lactamase)：這是細菌產生來對抗 β-內醯胺類抗生素（如盤尼西林、頭孢菌素）的最普遍機制。β-內醯胺酶能夠水解 β-內醯胺環，破壞抗生素的結構，使其無法與細菌的細胞壁合成酶結合。例如，許多革蘭氏陰性菌能產生廣譜 β-內醯胺酶。

Magnetotactic bacteria (磁感菌) 是一種生活在水生環境中的細菌，牠們能夠在細胞內合成稱為磁小體 (magnetosomes) 的微小磁性顆粒（通常是磁鐵礦 Fe3O4 或磁赤鐵礦 Fe3O4）。這些磁小體排列成鏈狀，使得細菌整體呈現磁性，能夠在地球磁場的作用下進行定向。擁有磁小體對這些細菌而言具有重要的生態學優勢，主要體現在以下幾個方面：

1. 定向移動與尋找適宜生長環境：
   • 說明：許多磁感菌生活在水體中的氧化還原電位梯度（redox potential gradient）區域，例如沉積物-水界面。這些區域的氧氣濃度變化很大，而磁感菌通常是微好氧 (microaerophilic) 或兼性厭氧 (facultative anaerobic) 生物，牠們需要特定的氧氣濃度範圍才能生存和生長。地球磁場在地球表面大致指向南北極，並且與地表形成一定的傾角。磁感菌可以利用其磁性來沿著地球磁場線移動。
   • 優勢：在水體中，垂直方向的移動（上下移動）通常伴隨著氧氣濃度的快速變化。例如，在富含氧氣的表層水和缺氧的沉積物之間，存在一個適合這些細菌生長的狹窄的微好氧區。

細菌的細胞壁是細胞膜外的一層堅韌結構，主要功能是維持細胞形態、抵抗滲透壓並保護細胞免受物理和化學傷害。革蘭氏染色法是根據細胞壁結構差異將細菌分為革蘭氏陽性 (Gram-positive) 和革蘭氏陰性 (Gram-negative) 兩大類。

革蘭氏陽性菌 (Gram-positive bacteria) 細胞壁結構：

1. 厚肽聚醣層 (Thick peptidoglycan layer)：這是革蘭氏陽性菌細胞壁的主要成分，厚度可達 20-80 奈米，由多層肽聚醣 (peptidoglycan) 組成。肽聚醣是一種複雜的聚合物，由重複的 N-乙醯葡萄糖胺 (NAG) 和 N-乙醯胞壁酸 (NAM) 鏈組成，這些鏈通過短肽鏈相互交聯 (cross-linking)，形成一個堅固的網狀結構。
2. 特異性組分：
   • 磷壁酸 (Teichoic acids)：這是革蘭氏陽性菌細胞壁特有的成分，是一種陰離子聚合物，包含甘油或核糖醇，通過磷酸酯鍵連接。磷壁酸共價連接到肽聚醣層，或錨定在細胞膜上（稱為脂磷壁酸, lipoteichoic acids, LTA）。它們在維持細胞壁結構、調節離子通透性、參與細胞分裂以及作為抗原決定基等方面發揮作用。
   • 多醣類：部分革蘭氏陽性菌細胞壁也含有其他多醣類成分。
3. 細胞膜：在細胞壁的內側是細胞膜。

革蘭氏陰性菌 (Gram-negative bacteria) 細胞壁結構：

1. 薄肽聚醣層 (Thin peptidoglycan layer)：革蘭氏陰性菌的肽聚醣層相對較薄，通常只有一層或少數幾層，厚度約 2-10 奈米。它位於內膜和外膜之間。
2. 外膜 (Outer membrane)：這是革蘭氏陰性菌細胞壁最顯著的特徵。外膜是一個雙層結構，主要由脂多醣 (lipopolysaccharide, LPS)、脂蛋白 (lipoprotein) 和孔蛋白 (porins) 組成。
   • 脂多醣 (LPS)：LPS 是外膜的主要成分，位於外膜的外層。它包含三個部分：脂質 A (Lipid A) 嵌入外膜脂質雙層中，核心多醣 (core polysaccharide) 連接在脂質 A 上，而 O 抗原（O-specific polysaccharide）是多醣鏈的末端，具有高度變異性，是重要的抗原決定基。

細菌 (Bacteria) 和古菌 (Archaea) 雖然都是原核生物，並且都有細胞壁，但它們的細胞壁在化學組成和結構上存在顯著差異。

細菌 (Bacteria) 的細胞壁：

• 主要成分：最主要的結構成分是肽聚醣 (peptidoglycan)。肽聚醣由重複的 N-乙醯葡萄糖胺 (NAG) 和 N-乙醯胞壁酸 (NAM) 鏈通過 β-(1→4) 糖苷鍵連接，並由側鏈的短肽交聯形成一個堅固的網狀結構。
• 結構：根據肽聚醣層的厚度和外膜的存在與否，細菌細胞壁可分為革蘭氏陽性 (Gram-positive) 和革蘭氏陰性 (Gram-negative) 兩種類型。

古菌 (Archaea) 的細胞壁：

• 無肽聚醣：古菌的細胞壁不含肽聚醣。這是它們與細菌最關鍵的區別之一。
• 主要成分：
  • 假肽聚醣 (Pseudopeptidoglycan)：某些古菌（如甲烷菌 Methanogens）的細胞壁含有類似肽聚醣的結構，稱為假肽聚醣。它同樣由重複的醣鏈組成，但醣鏈成分不同，通常是 N-乙醯葡萄糖胺 (NAG) 和 N-乙醯塔洛醣胺尿酸 (N-acetyltalosaminuronic acid, NAT) 或 N-乙醯胞壁酸的變體。糖苷鍵也是 β-(1→3) 鍵，而非細菌的 β-(1→4) 鍵。肽鏈的交聯方式也與細菌不同，並且不含 D-胺基酸。
  • 蛋白質鞘 (S-layer)：大多數古菌的細胞壁主要由蛋白質或醣蛋白構成的蛋白質鞘 (S-layer) 組成。S-layer 是細胞壁最外層的結構，由單一層或多層規則排列的蛋白質或醣蛋白亞基組成，形成一個網格狀結構。S-layer 在古菌中非常普遍，功能包括維持細胞形態、保護細胞、附著以及作為抗原。

Halophiles (嗜鹽菌) 是指能在高鹽環境（通常指 NaCl 濃度大於 3%）中生長和繁殖的微生物。牠們演化出多種策略來應對高滲透壓和高離子濃度對細胞造成的傷害。主要的策略包括：

1. 累積細胞內溶質 (Accumulation of Compatible Solutes)：

   • 說明：這是嗜鹽菌最普遍和重要的策略。為了平衡細胞外的極高鹽濃度，防止水分流失導致細胞脫水死亡，牠們會在細胞內累積大量的有機溶質（稱為相容溶質，compatible solutes）或無機離子。這些相容溶質的特點是：
     • 高濃度累積：能在細胞內達到與細胞外鹽濃度相當甚至更高的濃度。
     • 對細胞無毒性：即使在高濃度下，也不會干擾細胞內正常的代謝和生理功能。
     • 與細胞內大分子相容：不會破壞蛋白質、核酸等結構和功能。
   • 常見的相容溶質：
     • 有機溶質：如甘油 (glycerol, 1,2,3-propanetriol)、甜菜鹼 (betaine, trimethylglycine)、脯氨酸 (proline)、甘氨酸甜菜鹼 (glycine betaine)、海藻糖 (trehalose) 等。
     • 無機離子：某些極端嗜鹽菌（如 Halobacterium salinarum）會累積高濃度的鉀離子 (K+) 作為主要的相容溶質。
   • 優勢：這種策略可以維持細胞內外的滲透壓平衡，防止細胞失水，同時避免了細胞內大分子被破壞。

2. 細胞壁和細胞膜的特殊結構：

   • 說明：高鹽環境可能對細胞膜的穩定性造成影響。一些嗜鹽菌的細胞膜含有較高比例的酸性脂質，這有助於與細胞外陽離子（如 Na+）相互作用，穩定膜結構。

用於控制微生物的化學試劑，稱為消毒劑 (disinfectants) 或防腐劑 (antiseptics)，它們透過不同的機制殺滅或抑制微生物的生長。以下列出四種常見的化學試劑：

1. 酒精 (Alcohol)：

   • 常見種類：乙醇 (ethanol, 70-90%) 和異丙醇 (isopropanol)。
   • 機制：主要透過使蛋白質變性（denaturation）和溶解細胞膜脂質來殺滅微生物。酒精對細菌、真菌和部分病毒有效，但對細菌芽孢和某些病毒（如茲卡病毒）效果較差。70% 的酒精被認為是較佳的消毒濃度，因為它能較好地滲透細胞壁，同時保留足夠水分幫助變性蛋白質。

2. 酚類化合物 (Phenolic compounds)：

   • 常見種類：苯酚 (phenol)、六氯酚 (hexachlorophene)、鄰苯基苯酚 (o-phenylphenol，常用於 Lysol 等消毒劑)。
   • 機制：破壞細胞膜的完整性，使細胞內容物滲漏，同時也能使蛋白質變性。酚類化合物殺滅力強，且在有機物存在下仍具活性，但氣味難聞且對皮膚有刺激性。

3. 鹵素 (Halogens)：

   • 常見種類：碘 (Iodine) 和氯 (Chlorine)。
   • 機制：

細胞膜的物質運輸是維持細胞正常功能的重要過程。被動運輸 (passive transport) 和主動運輸 (active transport) 是兩種主要的物質運輸方式，它們在是否需要能量、運輸方向以及是否需要載體蛋白等方面存在差異。

1. 被動擴散 (Passive Diffusion)

• 定義：物質直接穿過細胞膜，從高濃度區域移動到低濃度區域，不需要細胞提供能量。
• 機制：物質分子依賴其自身的熱運動，透過細胞膜的脂質雙層。
• 運輸方向：順濃度梯度 (down the concentration gradient)，從高濃度到低濃度。
• 能量需求：無。
• 載體蛋白：不需要。
• 適用物質：通常是小分子、非極性或親脂性物質，如氧氣 (O2)、二氧化碳 (CO2)、脂溶性維生素等。
• 運輸速率：與濃度梯度、膜的通透性以及物質的親脂性有關。

2. 促進擴散 (Facilitated Diffusion)

• 定義：物質透過細胞膜的運輸，仍然是從高濃度區域移動到低濃度區域，但需要細胞膜上的載體蛋白 (carrier protein) 或通道蛋白 (channel protein) 的協助，且不消耗細胞的代謝能。
• 機制：
  • 載體蛋白：與待運輸物質結合，然後改變構象，將物質運送至膜的另一側。這種運輸方式具有飽和性（因為載體蛋白數量有限）。
  • 通道蛋白：在細胞膜上形成親水性通道，允許特定的離子或小分子通過。通道蛋白的開放和關閉可以被調控。
• 運輸方向：順濃度梯度 (down the concentration gradient)。
• 能量需求：無。
• 載體蛋白：需要。
• 適用物質：離子（如 Na+, K+, Ca2+）、極性小分子（如葡萄糖、胺基酸）等，這些物質難以直接通過脂質雙層。
• 運輸速率：受載體蛋白數量的限制，會達到飽和點。

3. 主動運輸 (Active Transport)

• 定義：物質透過細胞膜的運輸，能夠逆濃度梯度移動，需要細胞提供能量（通常是 ATP 水解提供的能量），並需要細胞膜上的載體蛋白（稱為泵，pump）協助。
• 機制：載體蛋白（泵）結合物質，消耗 ATP 水解產生的能量，改變構象，將物質從低濃度一側轉運到高濃度一側。

這題探討的是剖腹產新生兒的「陰道微生物定殖」或稱為「微生物接種」(microbial seeding) 的目的。

目的：
剖腹產 (cesarean delivery) 的嬰兒跳過了在分娩過程中通過母親產道的機會，而產道是嬰兒首次接觸並建立其腸道微生物群 (gut microbiome) 的重要場所。母親產道中的微生物群落組成對嬰兒的早期微生物定殖至關重要，這些微生物有助於啟動嬰兒的免疫系統發育，並影響其長期的健康。

因此，在剖腹產後，醫護人員會用母親的陰道分泌物（在確保安全和無菌操作的前提下）塗抹新生兒的口鼻或口腔，其主要目的是：

1. 模擬自然分娩的微生物暴露：讓新生兒能夠接觸到母親產道中的有益微生物（如乳酸桿菌 Lactobacillus、雙歧桿菌 Bifidobacterium 等），就像在自然分

這題的後半部分是詢問研究宿主腸道微生物群的技術。

研究腸道微生物群的技術：
要研究宿主的腸道微生物群，最常用且最有效的方法是利用次世代定序 (Next-Generation Sequencing, NGS) 技術，特別是針對 16S 核糖體 RNA (16S rRNA) 基因或全基因組鳥槍定序 (Whole Genome Shotgun Sequencing, WGS)。

1. 16S rRNA 基因定序 (16S rRNA Gene Sequencing)

• 原理：16S rRNA 基因是細菌和古菌核糖體的小亞基 (small subunit) 的組成部分，它在所有細菌和古菌中都普遍存在，但同時也包含一些高度保守的區域和一些高度變異的區域。這些變異區域的序列特異性很高，可以區分不同的細菌分類群（從門到種）。
• 方法：
  1. 樣品採集：收集宿主的糞便、腸道內容物或其他相關樣本。
  2. DNA 提取：從樣本中提取微生物的總 DNA。
  3. PCR 擴增：使用針對 16S rRNA 基因變異區域（如 V3-V4 區域）的特異性引物進行 PCR 擴增。
  4. NGS 定序：對 PCR 產物進行次世代定序。
  5. 生物資訊學分析：將定序數據與參考資料庫比對，識別出樣本中存在的微生物種類及其相對豐度。
• 優點：
  • 成本相對較低：相較於 WGS，16S rRNA 定序的成本較低。
  • 技術成熟：是研究微生物群落組成最廣泛使用的技術。
  • 可區分細菌和古菌：能識別細菌和古菌。
• 缺點：
  • 解析度有限：通常只能定序到屬或種的水平，對於某些情況下需要更高解析度的研究（如區分菌株）可能不夠。
  • 功能資訊不足：主要提供微生物的「是誰」(who is there)，而無法直接得知牠們的功能。

本題探討 β-內醯胺類抗生素 (β-lactam antibiotics) 對 Mollicutes（支原體）無效的原因。

Mollicutes (支原體) 的特性：

• 無細胞壁：Mollicutes 是細菌的一個綱，但牠們最顯著的特徵是缺乏細胞壁。大多數細菌（包括革蘭氏陽性菌和陰性菌）的細胞壁中含有肽聚醣 (peptidoglycan)，這是 β-內醯胺類抗生素的主要作用靶點。β-內醯胺類抗生素通過抑制肽聚醣的交聯 (cross-linking) 來阻止細胞壁的合成，導致細胞在滲透壓作用下破裂而死亡。
• 細胞膜：由於缺乏細胞壁，Mollicutes 的細胞膜是其最外層結構，直接暴露於外界環境。牠們的細胞膜通常含有膽固醇 (cholesterol)，這在其他細菌中非常罕見（細菌通常不合成膽固醇，而是從宿主細胞攝取）。

本題探討的是為何熱滅活 (thermal inactivation) 對某些枯草桿菌 (Bacillus spp.) 和梭狀桿菌 (Clostridium spp.) 的菌株效果不佳。

Bacillus 和 Clostridium spp. 的特性：

• 產生芽孢 (Endospores)：這兩屬的細菌最顯著的共同特徵是，在不利的環境條件下（如營養匱乏、高溫、乾燥、化學物質暴露等），牠們能夠形成高度耐熱、耐旱、耐輻射、耐化學物質的內生芽孢 (endospores)。芽孢是細菌的一種休眠結構，具有極其堅固的保護層（包括芽孢皮層、芽孢殼等），內部代謝活性極低。

熱滅活 (Thermal Inactivation) 的原理：
熱滅活是指透過高溫（如煮沸、高壓滅菌）來殺滅微生物。高溫主要通過使蛋白質變性、破壞核酸結構、使細胞膜功能喪失等方式來殺滅活微生物。

為何對 Bacillus 和 Clostridium spp. 菌株效果不佳：

• 芽孢的極高耐熱性：芽孢結構非常堅固，含有高濃度的鈣離子-二吡啶甲酸 (Ca2+-dipicolinic acid) 複合物，以及極度脫水的細胞質，這些都有助於提高其熱穩定性。

本題探討為何農業生物技術會依賴一種植物病原菌——根癌農桿菌 (Agrobacterium tumefaciens)。

根癌農桿菌 (Agrobacterium tumefaciens) 的特性：

• 腫瘤誘導質粒 (Tumor-inducing plasmid, Ti plasmid)：A. tumefaciens 的致病性主要來自其細胞質中攜帶的一個大型質粒，稱為腫瘤誘導質粒 (Ti plasmid)。
• T-DNA 轉移：當 A. tumefaciens 接觸到植物的傷口時，它會將 Ti 質粒上的一段特定 DNA 片段，稱為轉移 DNA (Transfer DNA, T-DNA)，整合到植物細胞的基因組中。
• 誘導腫瘤：T-DNA 中包含的基因會誘導植物細胞異常增生，形成腫瘤（稱為根癌，crown gall），並合成腫瘤組織特有的物質（如八角胺，octopine）。

農業生物技術的應用：
科學家巧妙地利用了 A. tumefaciens 的這種天然基因轉移能力來進行基因工程，將外源基因導入植物。

1. 質粒改造：首先，科學家會將 Ti 質粒上的致病基因（負責誘導腫瘤的基因）移除或滅活，但保留 T-DNA 的邊界序列和轉移機制。
2. 插入目標基因：然後，在 T-DNA 的區域，科學家可以插入他們想要導入植物的特定基因（例如，抗蟲基因、抗病基因、提高產量或營養價值的基因等）。

本題探討 SARS-CoV-2 (新冠病毒) 快速演化出多種變異株（如 Delta 和 Omicron）的原因。

SARS-CoV-2 的特性：

• RNA 病毒：SARS-CoV-2 是一種 RNA 病毒。RNA 病毒的基因組是 RNA，在複製過程中，依賴 RNA 聚合酶 (RNA polymerase) 進行複製。
• RNA 聚合酶的特性：大多數 RNA 病毒的 RNA 聚合酶缺乏校對 (proofreading) 功能。與 DNA 聚合酶不同，RNA 聚合酶在複製 RNA 時，一旦發生鹼基配對錯誤，就難以即時糾正。
• 高突變率：由於 RNA 聚合酶缺乏校對功能，病毒在複製過程中會產生較高的突變率 (high mutation rate)。每次複製都可能引入新的點突變 (point mutations)。
• 快速繁殖：病毒在感染宿主後，會在短時間內大量複製。即使突變率相對較低，但由於複製的數量巨大，累積的突變總數也會非常可觀。
• 變異株的篩選：
  • 自然選擇：在病毒的大量複製過程中，一些突變會影響病毒的特性，例如：
    • 傳播能力增強：某些突變可能使病毒更容易進入細胞、更有效地複製，或逃避免疫系統的識別，從而獲得更強的傳播能力。

本題探討為何接觸到被黃麴毒素產生菌 (Aspergillus flavus 和 A. parasiticus) 污染的農作物，可能導致中毒。

Aspergillus flavus 和 A. parasiticus 的特性：

• 產毒真菌 (Mycotoxigenic fungi)：這兩種曲霉菌 (Aspergillus) 是世界上最常見的產毒真菌。牠們能夠產生一類稱為黃麴毒素 (aflatoxins) 的劇毒代謝產物。
• 黃麴毒素 (Aflatoxins)：黃麴毒素是一組結構相似的單萜類毒素，主要有四種形式：AFB1、AFB2、AFG1 和 AFG2。其中，黃麴毒素 B1 (AFB1) 是毒性最強、最常見的一種。
• 生長條件：這兩種真菌在溫暖、潮濕的環境中生長良好，常污染玉米、花生、棉籽、堅果、穀物等農作物。牠們可以在作物生長過程中或收穫後儲存過程中產生毒素。

為何會導致中毒？

1. 黃麴毒素的毒性：
   • 肝毒性 (Hepatotoxicity)：黃麴毒素（尤其是 AFB1）是強效的肝毒素。

本題探討有孔蟲 (Foraminifera) 和顆石藻 (Haptophyta) 在地球碳循環中的重要性。

有孔蟲 (Foraminifera) 的特性：

• 單細胞生物：屬於變形蟲綱 (Amoebozoa) 的一類單細胞真核生物。
• 鈣質外殼 (Calcareous tests)：大多數有孔蟲會分泌並建造由碳酸鈣 (CaCO3) 組成的外殼，稱為 test。牠們利用環境中的鈣離子和碳酸根離子來合成外殼。
• 海洋分佈廣泛：廣泛存在於全球海洋，從淺海到深海，尤其是在溫暖的淺海地區。
• 浮游或底棲：有些種類是浮游生物 (planktonic)，有些是底棲生物 (benthic)。

顆石藻 (Haptophyta) 的特性：

• 單細胞藻類：屬於單細胞真核藻類，是浮游植物 (phytoplankton) 的重要組成部分。
• 鈣質骨針 (Coccoliths)：顆石藻細胞表面覆蓋著由碳酸鈣 (CaCO3) 組成的微小圓盤狀結構，稱為顆石 (coccoliths)。這些顆石是顆石藻細胞分泌的鈣質結構。
• 光合作用：進行光合作用，是海洋初級生產力的重要貢獻者。
• 海洋分佈廣泛：廣泛分佈於全球海洋。

為何對地球碳循環重要？
這兩種生物之所以對地球碳循環（carbon budget）至關重要，主要有兩個方面：

1. 碳酸鈣 (CaCO3) 的生物沉降 (Biological Calcification and Sequestration)：
   • 機制：有孔蟲和顆石藻通過其生物鈣化過程，從海水中的溶解態無機碳（碳酸根離子）中固定鈣離子，形成碳酸鈣外殼或顆石。這個過程實際上消耗了海水中的碳酸根離子。
   • 碳循環影響：

本題分為兩部分：定義溫室氣體並舉例，以及說明人類活動與微生物活動如何加劇溫室效應。

第一部分：溫室氣體 (Greenhouse Gases) 的定義與範例

• 定義：溫室氣體是指大氣中能夠吸收並重新輻射紅外線（熱輻射）的氣體。這些氣體就像溫室的玻璃一樣，允許太陽短波輻射進入地球，但會吸收並反射地球表面向外輻射的長波紅外線，從而阻止熱量散失到太空，導致地球表面溫度升高，這種現象稱為溫室效應 (Greenhouse Effect)。

• 範例：

  • 二氧化碳 (Carbon Dioxide, CO2)：最主要的溫室氣體，來自化石燃料燃燒、工業製程、森林砍伐等。
  • 甲烷 (Methane, CH4)：來自天然氣洩漏、畜牧業、稻田、垃圾掩埋場、濕地等。
  • 氧化亞氮 (Nitrous Oxide, N2O)：來自農業活動（如化肥使用）、工業製程、燃料燃燒等。
  • 水蒸氣 (Water Vapor, H2O)：是最豐富的溫室氣體，但其濃度主要受溫度影響，是氣候反饋而非主要驅動因素。
  • 臭氧 (Ozone, O3)：特別是平流層下部和對流層中的臭氧。
  • 氟氯碳化物 (Chlorofluorocarbons, CFCs) 及其他含氟氣體：如氫氟碳化物 (HFCs)、全氟碳化物 (PFCs)、六氟化硫 (SF6) 等，這些是人為製造的，雖然濃度低，但其暖化潛勢 (Global Warming Potential, GWP) 極高。

第二部分：人類活動與微生物活動如何加劇溫室效應

人類活動本身（如燃燒化石燃料、工業排放）已經釋放大量溫室氣體。然而，這些活動與微生物的活動相互作用，會進一步加劇溫室效應。以下舉例說明：

• 農業活動與甲烷 (CH4) 和氧化亞氮 (N2O) 的產生：
  • 稻田：水稻田是甲烷的主要人為來源之一。

吞噬作用 (Phagocytosis) 和自噬作用 (Autophagy) 都是細胞內吞噬和降解物質的過程，但它們的標靶和機制有所不同。

1. 吞噬作用 (Phagocytosis)

• 定義：吞噬作用是一種由特定細胞（主要是免疫細胞，如巨噬細胞、中性粒細胞）進行的過程，用於吞噬較大的外來顆粒，如細菌、病毒、細胞碎片、甚至整個細胞。
• 過程：
  1. 識別與結合：吞噬細胞表面的受體識別並結合到待吞噬的顆粒（如細菌表面的抗原、Opsonins，如抗體或補體蛋白）上。
  2. 偽足形成 (Pseudopod formation)：細胞膜向外延伸，形成偽足，包圍並吞噬顆粒。
  3. 吞噬泡形成 (Phagosome formation)：偽足的兩端癒合，將顆粒包裹在一個膜狀的囊泡內，稱為吞噬泡 (phagosome)。
  4. 吞噬泡與溶酶體融合：吞噬泡會移動到細胞質中，並與含有多種水解酶的溶酶體 (lysosome) 融合，形成吞噬溶酶體 (phagolysosome)。
  5. 降解：吞噬溶酶體內的酸性環境和水解酶（如蛋白酶、核酸酶、脂酶、溶菌酶）會將吞噬的顆粒降解成小分子，供細胞利用或排出。
  6. 殘體排出：無法消化的殘餘物可能通過胞吐作用排出細胞外。

2. 自噬作用 (Autophagy)

• 定義：自噬作用是細胞內一種「自我吞噬」的過程，用於降解細胞內自身受損的細胞器（如線粒體）、錯誤摺疊的蛋白質、聚集體，或入侵的微生物。它是一種維持細胞穩態 (homeostasis) 的基本機制。
• 過程：

本題的後半部分是詢問哪個過程（吞噬作用或自噬作用）對於巨噬細胞呈現抗原給 T 細胞或 B 細胞以啟動其活化是必需的。

吞噬作用 (Phagocytosis) 與抗原呈現：

• 巨噬細胞 (Macrophages) 的角色：巨噬細胞是專業的抗原呈現細胞 (Antigen-Presenting Cells, APCs)。牠們的主要功能之一就是通過吞噬作用吞噬外來病原體或細胞碎片。
• 抗原處理與呈現：
  1. 吞噬：巨噬細胞通過吞噬作用吞噬病原體（如細菌）。
  2. 降解與處理：在吞噬溶酶體 (phagolysosome) 中，病原體被水解酶降解成小片段的抗原肽 (antigenic peptides)。
  3. 與 MHC 結合：這些抗原肽會與細胞內的第 I 類或第 II 類主要組織相容性複合體 (MHC Class I or Class II) 分子結合。對於外來病原體，主要是與 MHC Class II 分子結合。
  4. 呈現：攜帶抗原肽的 MHC Class II 分子會被運送到細胞膜表面。
• T 細胞活化：巨噬細胞將呈現的抗原肽-MHC Class II 複合體展示給輔助型 T 細胞 (Helper T cells, CD4+ T cells)。T 細胞的 T 細胞受體 (TCR) 識別這個複合體，從而觸發 T 細胞的活化。

本題探討奈米抗體 (nanobodies) 如何像免疫球蛋白 G (IgG) 一樣，使病毒失活。

抗體 (Antibodies) 的基本原理：
抗體，如 IgG，是 B 細胞產生的 Y 形蛋白質，其主要功能是識別並結合特定的抗原（如病毒表面的蛋白質）。抗體通過其變異區 (variable region) 中的互補決定區 (Complementarity-Determining Regions, CDRs) 與抗原表面的特定區域（抗原決定基, epitope）精確結合。這種結合可以通過多種方式中和病原體：

1. 阻斷結合 (Blocking binding)：抗體結合到病毒表面，阻止病毒與宿主細胞的受體結合，從而阻止病毒進入細胞。
2. 聚集 (Agglutination)：多個抗體分子結合到多個病毒顆粒上，將病毒顆粒聚集在一起，使其更容易被吞噬細胞清除。
3. 活化補體系統 (Complement activation)：某些抗體結合到病毒表面後，可以活化補體系統，導致病毒裂解或被吞噬細胞清除。
4. 調變免疫反應：抗體結合也可以標記病毒，指示免疫系統進行清除。

奈米抗體 (Nanobodies) 的特性：

• 來源：奈米抗體是從駱駝科動物（如駱馬 llama、駱駝 camel）的獨特抗體（稱為單鏈抗體或重鏈抗體，heavy-chain only antibodies）中分離出來的。牠們是這些抗體的單一變異區，因此體積小（約 15 kDa，相當於 IgG 的十分之一）。
• 結構：奈米抗體保留了 IgG 的變異區，因此也具有與抗原結合的能力。牠們通常只有一個結合位點。
• 優勢：體積小，能穿透組織，結合親和力高，穩定性好，易於生產和改造。

奈米抗體如何使病毒失活？
奈米抗體通過與病毒表面的關鍵抗原決定基 (epitopes) 發生高度特異性的結合，來達到使病毒失活的目的，其機制與 IgG 類似，但由於其獨特的結構，可能更有效或具有額外優勢：

本題要求定義四種疾病類型並各舉一例。

1. 食物中毒 (Food-borne disease)

• 定義：指攝入被致病微生物（細菌、病毒、寄生蟲）或其產生的毒素污染的食物或飲水所引起的疾病。
• 範例：沙門氏菌感染 (Salmonellosis)。由沙門氏菌引起，常因食用未煮熟的禽肉、蛋類或受污染的飲水而感染，症狀包括腹瀉、嘔吐、發燒等。

2. 傳染病 (Communicable disease)

• 定義：指由一種病原體（細菌、病毒、真菌、寄生蟲）引起，能夠從感染的宿主（人或動物）通過直接或間接接觸傳播給其他易感宿主，或通過媒介（如蚊子、蜱蟲）或環境傳播的疾病。
• 範例：流行性感冒 (Influenza)。由流感病毒引起，通過飛沫（咳嗽、打噴嚏）或接觸傳播，具有高度傳染性。

3. 人畜共通傳染病 (Zoonotic disease)

• 定義：指一種由病原體（病毒、細菌、寄生蟲、真菌）引起的感染性疾病，這種病原體能夠在脊椎動物（通常是野生動物或家畜）和人類之間自然傳播。

這題要求解釋原生生物 (protists) 的七種細胞器或結構的主要功能。

1. Mitosomes (類粒線體)

• 定義：Mitosomes 是某些厭氧或微好氧的原生生物（如滴蟲 Trichomonas vaginalis、藍綠變形蟲 Giardia intestinalis）中發現的一種高度退化的能量代謝相關的細胞器，是粒線體的演化產物。
• 主要功能：與粒線體不同，Mitosomes 不參與 ATP 的產生。牠們的主要功能是參與鐵硫簇 (iron-sulfur cluster, Fe-S cluster) 的合成和組裝。鐵硫簇是許多細胞內關鍵蛋白質（包括許多參與能量代謝、DNA 修復、蛋白質合成的酶）的輔因子，對細胞的正常生理功能至關重要。

2. Stigma (眼點/感光點)

• 定義：Stigma，又稱眼點 (eyespot) 或光感器 (photoreceptor)，是許多單細胞藻類和鞭毛蟲（如眼蟲 Euglena）中發現的一種對光敏感的細胞器，通常位於細胞的基部或鞭毛附近。
• 主要功能：感知光線強度和方向，幫助細胞進行趨光性運動 (phototaxis)，以尋找適合光合作用的最優光照條件，或避開有害的強光。

3. Cytostome (細胞口)

• 定義：Cytostome，又稱細胞口或攝食口，是某些原生生物（如草履蟲 Paramecium、變形蟲 Amoeba）細胞膜上的一個特定區域，是攝取食物顆粒的位點。
• 主要功能：攝取外來食物顆粒。細胞通過細胞口將食物顆粒吞入細胞內，形成食物泡 (food vacuole)，然後進行消化。

4. Pseudopodia (偽足)

• 定義：Pseudopodia，即偽足，是某些原生生物（如變形蟲 Amoeba、有孔蟲 Foraminifera）細胞質流動形成的暫時性細胞質延伸。
• 主要功能：