112 年 國立臺灣大學食品科技研究所乙組《微生物學（A）》

此題組主要探討細菌的群體感應（Quorum sensing, QS）機制，包含其訊號分子、作用對象、干擾方式及生理影響。

(1) 關於 N-acyl homoserine lactones (AHLs) 的使用對象：
AHLs 是由細菌分泌的訊號分子，主要用於群體感應。研究顯示，AHLs 主要在革蘭氏陰性菌（Gram-negative bacteria）中廣泛使用，因為它們通常具有將訊號分子運輸到細胞外的分泌系統（如 type I secretion system）。革蘭氏陽性菌則多使用其他類型的訊號分子，如胜肽類。
【答案】(B) Gram-negative

(2) 不同 AHLs 的主要結構差異：
AHLs 的基本結構包含一個 N-acyl 鏈連接到一個高絲胺酸內酯（homoserine lactone）環。主要的結構差異在於 N-acyl 鏈的長度（通常為 4 到 18 個碳原子）以及第 3 個碳原子上的取代基（如酮基 =O 或羥基 -OH）。這些差異會影響訊號分子的擴散能力、穩定性以及與接收器蛋白的結合親和力，進而影響其專一性。
【答案】N-acyl 鏈的長度（通常 4-18 個碳原子）及第 3 個碳原子上的取代基（如酮基或羥基）。

(3) 其他競爭性細菌如何干擾 AHLs：
競爭性細菌可以透過多種機制干擾 AHLs 的訊號傳遞，以抑制競爭者的生長或協同作用。常見的機制包括：

此題組探討化學藥劑對細菌的控制機制。

(1) 四級銨化合物（Quaternary ammonium compounds, QACs）的殺菌機制：
四級銨化合物是一類陽離子界面活性劑。其殺菌機制主要基於其陽離子性質，能夠與帶負電的細菌細胞膜結合。
a. 破壞細胞膜結構：QACs 會吸附到細菌細胞壁和細胞膜的磷脂質上，破壞細胞膜的完整性。它們會插入磷脂雙層結構中，導致膜的通透性增加，細胞內容物（如蛋白質、核酸）外洩，進而導致細胞死亡。
b. 蛋白質變性：QACs 也可以與細胞內的蛋白質結合，改變蛋白質的結構和功能，影響細胞代謝。
c. 抑制酶活性：它們可以抑制細胞膜上許多重要酶的活性，如呼吸鏈中的酶。
總體而言，QACs 是一種廣效性的殺菌劑，對細菌、黴菌、病毒和某些寄生蟲都有效，但對內孢子（endospores）效果較差。

此題組探討抗病毒藥物作用機制以及 RNA 病毒的變異特性。

(1) 泰樂黴素（Tamiflu）抑制神經胺酸酶（neuraminidase）如何阻斷病毒生長：
泰樂黴素（Oseltamivir）是一種神經胺酸酶抑制劑，用於治療流感。流感病毒（屬於正黏液病毒科，Orthomyxoviridae）在其生命週期中有兩個關鍵步驟依賴神經胺酸酶的活性：
a. 病毒從宿主細胞釋放：流感病毒表面有血球凝集素（Hemagglutinin, HA）和神經胺酸酶（Neuraminidase, NA）兩種主要醣蛋白。HA 負責將病毒吸附到宿主細胞表面的唾液酸受體上，而 NA 則負責切割細胞表面或病毒顆粒上的唾液酸殘基。當病毒從宿主細胞萌芽（budding）時，HA 會使新的病毒顆粒附著在宿主細胞上，或附著在先前釋放的病毒顆粒上。神經胺酸酶的作用就是切割這些唾液酸連結，釋放新的病毒顆粒，使其能夠感染新的細胞。若神經胺酸酶被抑制，新的病毒顆粒將無法有效從宿主細胞上脫離，也無法有效散播，從而阻斷了病毒的複製和感染週期。
b. 病毒顆粒的聚集：神經胺酸酶也能防止病毒顆粒之間或病毒顆粒與宿主細胞之間發生不必要的聚集，若無此作用，病毒顆粒可能會結塊，影響其傳播效率。
因此，抑制神經胺酸酶的活性，直接影響了流感病毒的釋放和傳播，進而阻止了病毒的生長。

此題組探討細菌細胞壁的重要組分——脂多醣（Lipopolysaccharide, LPS）。

(1) 細菌脂多醣（LPS）的基本結構：
脂多醣（LPS）是革蘭氏陰性菌細胞外膜（outer membrane）的主要成分，佔其乾重的 10-20%。LPS 是一個龐大的兩親性分子，由三個主要區域組成，它們共價連接在一起：
a. 脂質 A (Lipid A)：這是 LPS 的疏水性部分，嵌入在外膜的磷脂雙層中。它通常由兩個葡萄糖胺（glucosamine）單元組成，每個單元上帶有數個（通常是 6 個）脂肪酸鏈。脂質 A 是 LPS 的內毒素（endotoxin）活性部分，也是 LPS 與外膜結合的錨。
b. 核心寡醣（Core oligosaccharide）：連接在脂質 A 的葡萄糖胺殘基上，是一個由 9-12 個單醣組成的複雜寡醣鏈。核心寡醣通常包含一些不尋常的單醣（如 KDO, 2-keto-3-deoxyoctulosonic acid）和磷酸基團。核心寡醣又可細分為內核（inner core）和外核（outer core）。
c. O 抗原（O antigen）或 O 多醣（O polysaccharide）：連接在核心寡醣的外側。這部分是由重複的寡醣單元組成的多醣鏈，其組成和結構在不同細菌菌株之間差異很大。O 抗原是 LPS 的親水性部分，朝向細胞外環境。

此題組要求解釋三個重要的生物學名詞。

(1) 趨化性（Chemotaxis）：
趨化性是指生物體（尤其是細菌、變形蟲和某些白血球）向化學物質梯度移動的現象。這種移動可以是趨向（attractant）有利於細胞生存的化學物質（如營養物），也可以是避開（repellent）有毒或不利的化學物質（如某些代謝廢物）。細菌的趨化性通常涉及鞭毛（flagella）的轉動方向和頻率的改變，以調整其移動路徑。
【答案】生物體（尤指細菌）朝向或遠離特定化學物質濃度的定向移動現象。

(2) 輔酶（Coenzyme）：
輔酶是小分子有機物，不能獨立催化反應，但它們是許多酶促反應的必要輔助因子（cofactor）。

此題組探討酶活性調控的轉譯後修飾（posttranslational regulations）機制。

(1) 異位調節（Allosteric regulation）：
異位調節是指酶的活性受到其異位點（allosteric site）上結合的調節分子（effector or modulator）的影響。異位點不同於酶的活性位點（active site）。當調節分子結合到異位點時，會引起酶的構象（conformation）發生變化，進而影響酶對底物（substrate）的親和力或催化效率。
a. 異位活化劑（Allosteric activator）：結合到異位點會增加酶的活性。
b. 異位抑制劑（Allosteric inhibitor）：結合到異位點會降低酶的活性。
異位調節是一種快速且可逆的酶活性調控方式，常見於代謝途徑的調節。
【答案】酶活性受到結合於異位點的調節分子影響，導致酶構象改變，進而調節其催化活性。

(2) 酶的共價修飾（Covalent modifications of enzymes）：
共價修飾是指通過形成或斷裂共價鍵，在酶分子上引入或移除特定的化學基團，從而改變酶的活性、穩定性、定位或與其他分子的相互作用。這是一種常見的酶活性調控機制，通常是可逆的。常見的共價修飾包括：

此題組探討 DNA 突變的類型、頻率以及致突變因子（mutagen）的作用機制。

(1) 轉換突變（Transition mutations）與顛換突變（Transversion mutations）的解釋：
DNA 突變是指 DNA 序列發生的永久性改變。根據嘌呤（purine）和嘧啶（pyrimidine）鹼基的類型，突變可以分為兩大類：
a. 轉換突變（Transition mutations）：這類突變是指一個嘌呤鹼基被另一個嘌呤鹼基取代（A ↔ G），或一個嘧啶鹼基被另一個嘧啶鹼基取代（C ↔ T）。這兩種鹼基類型（嘌呤或嘧啶）在突變前後保持不變。
b. 顛換突變（Transversion mutations）：這類突變是指一個嘌呤鹼基被一個嘧啶鹼基取代，或一個嘧啶鹼基被一個嘌呤鹼基取代（例如 A ↔ C, A ↔ T, G ↔ C, G ↔ T）。這兩種鹼基類型在突變前後發生改變。
【答案】轉換突變指同類鹼基（嘌呤對嘌呤，嘧啶對嘧啶）的替換；顛換突變指不同類鹼基（嘌呤對嘧啶或反之）的替換。

(2) 哪種類型的突變更常見及其原因：
在大多數生物體中，轉換突變（Transition mutations）比顛換突變（Transversion mutations）更常見。
原因如下：
a. 化學結構相似性：嘌呤（A, G）和嘧啶（C, T）在化學結構上差異較大，而同類鹼基（如 A 和 G，或 C 和 T）在結構上更為相似。

此題探討如何從自然篩選到的微生物菌株，進一步優化以作為工業生產用途的「生產菌株」（production strain）。除了化學/物理誘變，還需要提出另一種策略並解釋其原理。

另一種常用的策略是基因工程（Genetic engineering）或代謝工程（Metabolic engineering）。

原理與操作：
基因工程或代謝工程透過直接修改微生物的基因組，精確地調控其代謝途徑，以提高目標產物的產量。這與隨機誘變（chemical/physical mutagenesis）不同，後者是通過引入隨機突變，再篩選出有益突變體。基因工程/代謝工程則是有針對性地進行改造：

1. 目標基因的過度表現（Overexpression）：

   • 原理：若已知目標產物合成途徑中的某些關鍵酶編碼基因，可以通過將這些基因插入到高表達載體（high-expression vector）中，並在其上游連接強啟動子（strong promoter），來顯著提高這些關鍵酶的產量。高產量的酶可以加快代謝反應速率，增加產物生成。
   • 操作：將目標基因克隆到表達載體，再將載體轉化（transform）入目標菌株。

2. 阻斷競爭性代謝途徑（Blocking competing pathways）：

   • 原理：在目標產物的合成途徑中，可能存在其他分支途徑，消耗了前體物質或能量，導致目標產物產量下降。

此題組探討微生物生態學研究中常用的三種技術：16S 宏基因組定序、FISH 技術及富集培養技術。

(1) 16S 宏基因組定序（16S metagenomic sequencing）：

• 原理：16S 核糖體 RNA（16S rRNA）基因是細菌和古菌（Archaea）中保守且特異的基因。其包含有變異區（variable regions, V1-V9）和保守區（conserved regions）。通過對 16S rRNA 基因的變異區進行高通量定序，可以識別出樣品中存在的不同微生物類群，並推斷其分類學地位（如屬、科、門）。宏基因組定序（metagenomic sequencing）則是指直接對環境樣品（如土壤、水、糞便）中的所有微生物 DNA 進行隨機片段定序，而不需分離培養。因此，16S 宏基因組定序是僅對 16S rRNA 基因進行定序的宏基因組方法，主要用於分析微生物群落的組成和多樣性。
• 研究應用：在微生物生態學研究中，可用於分析特定環境（如極端環境、人體腸道、海洋）中的微生物群落結構、物種組成、相對豐度及多樣性。
• 可獲得結果：可以獲得樣品中所有可培養和不可培養的細菌和古菌的分類列表，了解群落中主要類群及其相對豐度，評估微生物群落的多樣性（如 Shannon 指數、Simpson 指數）和均勻度。

(2) 螢光原位雜交（Fluorescent in situ hybridization, FISH）：

• 原理：FISH 技術利用帶有螢光標記的寡核苷酸探針（oligonucleotide probes），這些探針的序列與目標微生物的 16S rRNA 或 16S rRNA 基因序列中的特定保守或變異區互補配對。將這些探針與經過固定（fixed）的細胞懸浮液或組織切片共同孵育，探針會特異性地結合到細胞內的目標 rRNA 分子上。

此題組探討擔子菌門（Basidiomycota）和子囊菌門（Ascomycota）這兩類高等真菌的特徵。

1. 擔子菌門和子囊菌門的特徵性有性生殖結構及其分類用途：
   • 子囊菌門 (Ascomycota)：其特徵性的有性生殖結構是子囊果（ascocarp），其中包含由合子（zygote）發育而來的子囊（ascus）。在每個子囊中，通常會產生八個子囊孢子（ascospores）。子囊果的形態多樣，包括閉囊殼（cleistothecium）、子囊盤（apothecium）和瓶狀囊（perithecium）。
   • 擔子菌門 (Basidiomycota)：其特徵性的有性生殖結構是擔子果（basidiocarp），其中包含由減數分裂後形成的擔子（basidium）。在每個擔子底部，通常會產生四個擔子孢子（basidiospores）。擔子果的形態通常是我們熟悉的蘑菇、牛肝菌、馬勃菌等結構。
   • 分類用途：子囊和擔子這兩種結構，以及其內產生的孢子類型（子囊孢子 vs 擔子孢子），是區分這兩個真菌門的關鍵分類特徵。

此題組探討 SARS-CoV2 病毒入侵機制，以及疫苗在阻斷此過程和引發免疫反應中的作用。

1. 疫苗如何透過阻斷病毒進入宿主細胞：
   • 原理：SARS-CoV-2 病毒入侵人體細胞的主要機制是其表面的棘蛋白（spike protein）的受體結合域（RBD）與宿主細胞表面的血管張力素轉化酶 2（ACE2）受體結合。這個結合是病毒進入細胞的第一步。疫苗的作用之一是誘導人體產生針對病毒抗原（主要是棘蛋白）的抗體。這些抗體可以有多種方式阻斷病毒進入：
     • 中和抗體（Neutralizing antibodies）：這些抗體會結合到病毒棘蛋白的 RBD 或其他關鍵區域，物理性地阻止 RBD 與 ACE2 受體的結合。沒有結合，病毒就無法附著到宿主細胞表面，也無法進入細胞，從而阻止了病毒的感染。
     • 阻止病毒融合或釋放：雖然主要機制是阻斷結合，但抗體也可能干擾病毒與細胞膜的融合過程，或影響病毒的聚集與釋放（雖然這對初次感染的阻斷作用較小）。
   • 總結：疫苗產生的抗體能夠識別並結合 SARS-CoV-2 的棘蛋白，特別是 RBD 區域，從而阻止病毒棘蛋白與宿主細胞的 ACE2 受體結合，進而阻斷病毒顆粒進入宿主細胞。

此題組要求比較五對相關術語的相似點與差異點。

(1) 細胞性與非細胞性黏菌（Cellular and acellular slime molds）：

• 相似點：
  • 皆屬於真核生物，為變形蟲（amoeba）類生物。
  • 在環境條件適宜時，以單細胞形態攝食生活。
  • 在食物匱乏時，會聚集形成多細胞結構（稱為假黏菌 plasmodium 或假胞囊 pseudoplasmodium）以進行移動和孢子繁殖。
  • 孢子是其有性或無性繁殖的結構，能夠抵抗不良環境。
• 差異點：
  • 細胞性黏菌（Cellular slime molds, e.g., Dictyostelium discoideum）：
    • 單細胞形態時，每個細胞具有獨立的細胞壁（儘管可能較薄）。
    • 當食物匱乏時，單細胞聚集形成一個稱為「假黏菌」（pseudoplasmodium）的結構，這個結構由許多獨立的細胞組成，但這些細胞會分化，形成一個具有一定形態的子實體（fruiting body），頂端產生孢子。
    • 細胞核在聚合過程中是分開的。
  • 非細胞性黏菌（Acellular slime molds, e.g., Physarum polycephalum）：
    • 在單細胞階段後，細胞質融合，形成一個巨大的、多核的（syncytium）合胞體（plasmodium），沒有細胞壁分隔。這個合胞體可以非常龐大，並具有移動能力。
    • 當環境惡化時，合胞體會分化形成子實體，產生孢子。
    • 細胞核在合胞體內共享同一細胞質，形成多核狀態。
      【答案】皆為變形蟲類生物，單細胞時攝食，不利時聚集形成多細胞結構繁殖。細胞性黏菌聚集形成由獨立細胞組成的假黏菌，再分化成子實體；非細胞性黏菌則形成多核合胞體，再分化成子實體。

(2) 內毒素與外毒素（Endotoxin and exotoxin）：

• 相似點：
  • 皆為細菌產生的毒素，能引起宿主的疾病或不良反應。
  • 皆可被宿主的免疫系統識別，並可能引發免疫反應。
• 差異點：
  • 內毒素（Endotoxin）：
    • 主要存在於革蘭氏陰性菌的細胞壁外膜中，是脂多醣（LPS）的脂質 A 部分。
    • 通常在細菌死亡、細胞壁崩解時釋放。
    • 毒性相對較低，但作用廣泛，引起發燒、炎症、休克等全身性反應。
    • 通常是熱穩定性的（在 100°C 加熱 30 分鐘不易失活）。
    • 通常無特異性，對所有動物都具有毒性。
    • 不能被甲醛等化學物質轉化為類毒素（toxoid）。
  • 外毒素（Exotoxin）：
    • 由革蘭氏陽性菌和陰性菌的活細胞分泌到細胞外。
    • 通常是蛋白質，具有高度特異性。
    • 毒性極強，作用於特定細胞或組織（如神經毒素、溶血毒素、腸毒素）。
    • 通常是熱不穩定性的（易在 60-80°C 失活）。
    • 可以被化學物質（如甲醛）轉化為類毒素（toxoid），用於製備類毒素疫苗。
      【答案】皆為細菌產生的毒素，引起宿主疾病。內毒素是革蘭氏陰性菌外膜成分（LPS 的脂質A），細菌死亡時釋放，熱穩定，引起全身性反應；外毒素是細菌分泌的蛋白質，種類多樣，熱不穩定，作用專一。

(3) 大腸菌群與糞便大腸菌群（Coliform and fecal coliform bacteria）：

• 相似點：
  • 皆為革蘭氏陰性、無芽孢、兼性厭氧的桿菌。
  • 皆能發酵乳糖，在含有乳糖的培養基中於 35-37°C 產生酸和氣體。
  • 皆是水和環境污染的指標菌。
• 差異點：
  • 大腸菌群（Coliform bacteria）：
    • 是一個廣泛的分類群，包括多種細菌，如 Escherichia 屬、Citrobacter 屬、Enterobacter 屬、Klebsiella 屬等。
    • 它們可以在水、土壤、動植物體內發現，不一定代表糞便污染。

此題組要求列舉六個特定的古菌或細菌群體，各自一個能將其與多數其他群體區分開來的特徵。

(1) 綱 黴漿菌綱（Class Mollicutes）：

• 特徵：缺乏細胞壁。這是 Mollicutes 最顯著的特徵，使其成為唯一沒有細胞壁的細菌類群。這導致它們形態多變，對滲透壓敏感，並且對 β-內醯胺類抗生素（如盤尼西林）不敏感，因為這些抗生素的作用是抑制細胞壁合成。
• 區分性：大多數細菌都有細胞壁（肽聚醣層），而 Mollicutes 則沒有。

(2) 門 綠色硫細菌門（Phylum Chlorobi）：

• 特徵：進行不產氧的光合作用（anoxygenic photosynthesis），並使用硫化物（如 H$_2$S）作為電子供體。它們擁有稱為「綠色硫細菌葉綠素」（chlorobium chlorophylls）的特殊光合色素，並將其聚集在稱為「綠色硫細菌體」（chlorosomes）的結構中，這是它們進行光合作用的特殊細胞器。
• 區分性：雖然其他細菌（如紫硫細菌、綠色非硫細菌）也進行不產氧光合作用，但 Chlorobi 的 chlorosomes 結構和使用硫化物為電子供體是其獨特之處。與產氧光合作用的藍綠菌和植物不同。

(3) 屬 磁球菌屬（Magnetococcus spp.）：

• 特徵：細胞內含有磁小體（magnetosomes），即磁鐵礦（magnetite, Fe$_3$O$_4$）或磁赤鐵礦（greigite, Fe$_3$S$_4$）的結晶，形成鏈狀結構。這些磁小體使細菌能夠感知地球磁場，並沿磁場線進行定向移動，這有助於它們在氧化還原梯度中尋找最佳的生存環境（例如，在水體中尋找厭氧或微好氧區域）。
• 區分性：能夠產生並排列磁小體以感知磁場的細菌（稱為磁感細菌, magnetotactic bacteria）是比較獨特的類群，而 Magnetococcus 是其中一個代表。