منشا ویروس ها و کاربرد آن ها در علوم زیستی
منشا ویروس ها :
پیدایش ویروس‌های جدید کاملاً مشخص نیست و احتمالا یک مکانیسم واحد برای پیدایش ایجاد ویروس‌ها وجود نداشته باشد. به دلیل اینکه ویروس‌ها قادر نیستند فسیل تشکیل دهند، تکنیک‌های مولکولی در فرضیه نحوه ظهور آن‌ها از اهمیت خاصی برخوردار است. تحقیقات در مورد شناسایی میکرو فسیل‌ها و زیست‌شناسی مولکولی هنوز هم می‌تواند شواهد فسیلی مربوط به دوره آرکی‌ها یا پروتروزوییک‌ها (Proterozoic) را تشخیص دهد.
فرضیه پیدایش ویروس ها :
- ویروس‌های کوچک با تنها چند ژن امکان دارد، بخش‌هایی از اسیدهای نوکلئیک فراری باشند که از ژنوم یک ارگانیسم زنده دیگر نشات میگیرند. مواد ژنتیکی ویروس ها می‌تواند از عناصر ژنتیکی قابل انتقال مانند پلاسمیدها که در باکتری‌ها به فراوانی یافت می‌شوند گرفته شده باشد. پلاسمیدها توانایی حرکت دارند و می‌توانند از سلول خارج شده و وارد ژنوم ارگانیسم‌های دیگر شوند.
- ویروس‌های دارای ژنوم بزرگتر، مانند Poxviruses، ممکن است روزی سلول‌های کوچکی بوده‌اند که به عنوان انگل روی سلول‌های میزبان بزرگتر رشد و تکثیر داشتند. در طول زمان، ژن‌هایی که برای روند زندگی انگلی آن‌ها مورد نیاز نبودند، در یک پروسه ساده‌سازی از بین رفتند. دو باکتری ریکتسیا و کلامیدیا سلول‌های زنده‌ای هستند که مانند ویروس‌ها فقط می‌توانند در سلول‌های میزبان تولید مثل کنند. وجود آن‌ها به این فرضیه اعتبار می‌دهد، زیرا احتمالاً آن‌ها در جهت سبک زندگی انگلیشان ژن‌هایی را از دست داده‌اند که امکان زنده ماندن در خارج از سلول میزبان را برای آن‌ها فراهم می‌کردند.
بیماری‌های ویروسی انسان:
نمونه‌هایی از بیماری‌های مشترک انسانی ناشی از ویروس‌ها شامل سرماخوردگی، ویروس کرونا، آنفولانزا، آبله مرغان و تبخال هستند. علاوه بر این‌ها، ویروس‌ها می‌توانند بیماری‌های کشنده و مهلکی را نیز در انسان ایجاد کنند، از این گروه بیماری‌ها می‌توان به ابولا، کوید-19 ، ایدز، آنفولانزای مرغی و سارس اشاره کرد. توانایی نسبی ویروس‌ها در ایجاد بیماری با اصطلاح Virulence یا شدت بیماری‌زایی تعریف می‌شود.
ردیابی، تخلیص و تشخیص ویروس‌ها:
در آزمایشگاه، چندین روش برای رشد و شناسایی ویروس‌ها وجود دارد. تخلیص ذرات ویروسی را می‌توان با استفاده از روش‌های سانتریفیوژ افتراقی، سانتریفیوژ گرادیان، رسوب‌گذاری با سولفات آمونیوم یا اتیلن گلیکول و حذف اجزای سلولی از یک مخلوط سلولی همگن با استفاده از حلال‌های آلی یا آنزیم‌ها (در این حالت ذرات ویروس در محلول باقی می‌مانند) انجام داد.
آزمون‌هایی که برای شناسایی و شمارش ویروس‌ها مورد استفاده قرار میگیرند، عبارتند از:
- سنجش هماگلوتیناسیون : روشی برای اندازه گیری کمی تعداد ذرات ویروسی در محلول گلبول‌های قرمز است، که با بررسی میزان رسوب یا آگلوتینه شدن ویروس‌ها در بین آن‌ها انجام می‌گیرد. در این تکنیک ویروس‌ها قادر به اتصال به سطح یک یا تعداد بیشتری از گلبول‌های قرمز هستند.
- شمارش مستقیم با استفاده از میکروسکوپ الکترونی: برای این کار مخلوطی رقیق از ذرات ویروس و دانه‌های با اندازه مشخص بر روی یک ورق مخصوص اسپری می‌شوند و تحت بزرگنمایی بالا مورد بررسی قرار میگیرند. در این حالت ذرات ویروس‌ها قابل شمارش می‌شوند.
- سنجش پلاک ویروسی:این تکنیک شامل رشد یک لایه نازک از سلول‌های باکتریایی بر روی یک محیط کشت و افزودن مخلوط رقیق ویریون‌ها بر روی آن است. ویروس‌ها سلول‌های روی محیط کشت را آلوده می‌کنند و باعث ایجاد سوراخ‌هایی در لایه سلولی می‌شوند که به پلاک معروف است. تعداد پلاک‌ها قابل شمارش است و تعداد ویروس‌ها را با توجه به آن‌ها می‌توان تعیین کرد.
تشخیص و جداسازی ویروس‌های جدید از بیماران، موضوعی تخصصی و آزمایشگاهی است. به طور معمول، برای این کار نیاز به استفاده از امکانات و تجهیزات گران قیمت و متخصصان آموزش دیده مانند کارشناسان علوم آزمایشگاهی، زیست‌شناسان مولکولی و ویروس‌شناسان است.
اپیدمی:
همه گیری یا اپیدمی واژه‌ای است که به بروز یا ظهور گسترده یک بیماری خاص در یک جمعیت مشخص اتلاق می‌شود. ویروس‌ها در طول تاریخ مسبب اپیدمی‌های زیادی در جهان بودند و هر ساله تعدادی زیادی از مردم در سراسر دنیا بر اثر ابتلا به بیماری‌های همه گیر با منشا ویروسی جان خود را از دست می‌دهند.
تعدادی از پاتوژن‌های ویروسی بسیار کشنده عضو خانواده‌ای از ویروس‌ها به نام Filoviridae هستند. ویروس ماربورگ و ویروس ابولا از اجزای این خانواده هستند، این ویروس‌ها اولین بار به ترتیب در سال 1967 و ۱۹۷۶ در دو منطقه از شهر ماربورگ در آلمان و حاشیه رودخانه ابولا در کشور کنگو کشف شدند.
ویروس Filovirus ذرات ویروسی طویل و کرم مانندی به حساب می‌آیند که در گروه‌های بزرگ، شبیه صفحه‌ای از رشته‌ها هستند. در آوریل 2005، ویروس ماربورگ به دلیل شیوع آن در آنگولا توجه مطبوعاتی زیادی را به خود جلب کرد. این اپیدمی یا همه‌گیری از ابتدای اکتبر 2004 شروع شد و تا سال 2005 ادامه پیدا کرد، این بیماری بدترین بیماری تب خونریزی دهنده همه گیر جهان به شمار می‌آید.
بسیاری از جمعیت بومیان آمریکا در اثر بیماری‌های مسری، به خصوص آبله که توسط استعمارگران اروپایی به آمریکا آمد، از بین رفتند. هنوز مشخص نیست که چند آمریکایی بومی پس از ورود کلمبوس به قاره آمریکا توسط بیماری‌های خارجی کشته شدند، اما تخمین زده می‌شود که این تعداد برابر با 70 درصد از جمعیت کشور هندوستان باشد.
پیشگیری و درمان بیماری‌های ویروسی:
همان طور که در بالا اشاره شد، ویروس‌ها از امکانات سلول‌های میزبان خود برای تولید مثل و محلی برای زندگی استفاده می‌کنند، به همین دلیل از بین بردن ویروس‌ها کار دشواری است. واکسیناسیون برای ایجاد مقاومت در برابر بیماری‌های ویروسی و همینطور تولید داروهایی برای درمان عفونت‌های ویروسی از جمله موثرترین رویکردهای پزشکی در رابطه با درمان و پیشگیری از بیماری‌های ویروسی بوده‌اند.
پزشکان عمومی اغلب در مواجه با بیماران مبتلا به بیماری‌های عفونی آنتی‌بیوتیک تجویز می‌کنند، اما آنتی‌بیوتیک‌ها در برابر ویروس‌ها کاملا بی‌فایده هستند؛ ناگفته نماند که استفاده نادرست از آنتی بیوتیک‌ها در عفونت‌های ویروسی یکی از دلایل ایجاد مقاومت باکتری‌ها نسبت به آن‌ها است.
پژوهش‌های انجام شده در ویروس‌شناسی:
در حال حاضر تحقیقات در مورد ویروس‌ها بیشتر در زمینه ارتباط بین بیماری‌های ویروسی و سایر بیماری‌ها است. به عنوان مثال، براساس این مطالعات مشخص شده است که ویروس هرپس انسان (HHV6) با بیماری‌های عصبی مانند مولتیپل اسکلروزیس (MS) و سندرم خستگی مزمن (Chronic Fatigue Syndrome) ارتباط دارد. همچنین این پژوهش‌ها نشان می‌دهد که سرطان گردن رحم (Cervical Cancer) تا حدی ناشی از ویروس پاپیلوماس است و این اولین شواهد مهم در انسان درباره ارتباط بین سرطان و یک عامل عفونی به شمار می‌آید.
مطالعات ویروس‌شناسان امروزه به دلیل شیوع ناگهانی و مکرر برخی از بیماری‌های مشترک انسان و حیوان مانند آنفلونزای مرغی به سمت بررسی و شناخت بیشتر این گونه ویروس‌ها تمایل دارد. یکی از موضوعاتی که به تازگی در بین محققان ویروس شناسی مورد بحث قرار دارد، این است که آیا ویروس Borna که قبلاً تصور می‌شد باعث ایجاد بیماری عصبی در اسب‌ها می‌شود، می‌تواند موجب ایجاد بیماری روانی در انسان باشد.
همانندسازی ویروس ها :
جمعیت ویروسی از طریق تقسیم سلولی رشد نمی‌کند زیرا در واقع آن‌ها سلولی ندارند. در عوض، آن‌ها باید از امکانات و متابولیسم سلول میزبان استفاده کنند تا چندین نسخه از خود را همانندسازی کنند. ویروس‌هایی که از این طریق آزاد می‌شوند می‌توانند از یک میزبان به میزبان دیگر به روش تماس مستقیم یا اغلب از طریق مایعات بدن یا به وسیله انتقال دهنده یا وکتور منتقل شوند. در محیط‌های آبی، ویروس‌ها در آب به صورت شناور آزاد می‌شوند.
هنگامی که ویروس سلول را به تصرف خود در می‌آورد، بلافاصله باعث می‌شود که میزبان شروع به تولید پروتئین‌های لازم برای همانندسازی ویروس کند. برخی ویروس‌ها مانند تبخال موجب می‌شوند که میزبان سه نوع پروتئین بسازد:
- پروتئین‌های اولیه: آنزیم‌هایی که در تکثیر اسید نوکلئیک شرکت می‌کنند.
- پروتئین‌های دیررس: پروتئین‌هایی که برای ساخت پوشش ویروس استفاده می‌شوند.
- پروتئین‌های لیتیک: آنزیم‌هایی که برای از بین بردن سلول و خروج ویروس از آن وارد عمل می‌شوند.
محصول نهایی ویروسی به صورت خود به خود مونتاژ شده و شکل می‌گیرد، به این ترتیب که قطعات به طور جداگانه توسط میزبان ساخته می‌شوند و به طور اتفاقی به هم متصل می‌شوند. این مونتاژ اغلب توسط پروتئین‌های چپرونی مولکولی یا پروتئین‌های ساخته شده توسط میزبان صورت می‌گیرد.
ویروس‌های جدید سپس سلول را با اگزوسیتوز (آزاد کردن مولکول‌های بزرگ از طریق غشا) و یا با لیز سلول (مرگ سلول با ترکیدن) ترک می‌کنند. ویروس‌های حیوانی که با یک پوشش احاطه شدند، باعث می‌شوند که شبکه آندوپلاسمی میزبان، پروتئین‌های خاصی به نام گلیکوپروتئین را بسازند که این پروتئین‌ها بعد از ساخت در عرض غشای سلولی قرار میگیرند. سپس ویروس از همین ناحیه غشا از سلول خارج می‌شود، این فرایند نوعی اگزوسیتوز است.
باکتریوفاژها (ویروس‌هایی که باکتری‌ها را آلوده می‌کنند) سلول را تخریب می‌کنند تا بتوانند از آن خارج شوند. برای انجام این کار، فاژها دارای ژنی هستند که آنزیمی به نام لیزوزیم را رمزگذاری یا کد می‌کند. این آنزیم قادر است، دیواره سلولی را تجزیه کند. ویروس می‌تواند بدون ایجاد مرگ سلولی اثرات مخرب خود را داشته باشد که به آن‌ها اثرات سیتوپاتی می‌گویند.
تکثیر باکتریوفاژ :
باکتریوفاژها با اتصال به مولکول‌های گیرنده سطحی غشای سلولی وارد سلول میزبان می‌شوند و باکتری‌های خاصی را آلوده می‌کنند. در مدت زمان کمی، گاهی اوقات فقط چند دقیقه بعد از ورود ویروس، آنزیم پلیمراز باکتریایی شروع به ترجمه mRNA ویروسی و تولید پروتئین می‌کند. این پروتئین‌ها به همراه پروتئین‌های کمکی در تجزیه سلول میزبان و خروج ویروس‌ها از آن به کار می‌روند.
باکتریوفاژها ممکن است دارای یک چرخه لیتیک (Lytic Cycle) یا یک چرخه لیزوژنیک (Lysogenic Cycle) باشند. برخی ویروس‌ها قادر به انجام هر دو چرخه هستند.
همان طور که در بالا ذکر شد، تجزیه یا لیز سلولی شامل شکستن غشای سلول باکتریایی برای آزادسازی محتویات سلول است که در این حالت باکتریوفاژهای تازه مونتاژ شده نیز می‌توانند از سلول خارج شوند. آنزیم‌های ویروسی به تجزیه غشای سلولی کمک می‌کنند، به عنوان مثال تنها بیست دقیقه پس از آلوده شدن باکتری توسط فاژ T4، بیش از سیصد فاژ آزاد خواهند شد.
در چرخه لیتیک که در فاژهای کشنده مانند فاژ T4 انجام می‌شود، سلول‌های میزبان پس از تکثیر فوری ذرات ویروسی، تجزیه شده و می‌میرند. به محض از بین رفتن سلول ویروس‌ها مجبور می‌شوند، میزبان جدیدی پیدا کنند.
در مقابل، چرخه لیزوژنیک منجر به تجزیه و مرگ فوری سلول میزبان نمی‌شود. بلکه ژنوم ویروسی با DNA میزبان ادغام شده و همراه با آن تکثیر و همانندسازی می‌کند. در این چرخه ویروس خفته باقی می‌ماند، اما پس از اینکه سلول میزبان بارها و بارها همانندسازی کرد و تکثیر شد و در صورت وجود شرایط مساعد برای باکتریوفاژ، ویروس فعال شده و وارد چرخه لیتیک می‌شود. جالب است که از آنجا که چرخه لیزوژنیک به سلول میزبان امکان ادامه حیات و تولید مثل را می‌دهد، ویروس در همه سلول‌های تکثیر شده از میزبان اولیه وجود داشته و در آن‌ها نیز تکثیر می‌شود.
تکثیر ویروس‌های دارای DNA:
ویروس‌های حیوانی دارای DNA، مانند ویروس تبخال، از طریق اندوسیتوز وارد میزبان می‌شوند. اندوسیتوز فرایندی است که طی آن سلولها از محیط خارجی مواد را دریافت می‌کنند. بعد از ورود ویروس به سلول، ژنوم ویروس از کپسید آزاد شده و آنزیم پلیمراز سلول میزبان شروع به ترجمه mRNA ویروسی می‌کند. ذرات ویروسی جدید تولید شده به همراه اجزای ویروس مونتاژ شده‌اند و به دو روش تجزیه سلول میزبان یا جوانه زدن از غشای سلول خارج می‌شوند.
تکثیر ویروس‌های دارای RNA :
ویروس‌های حیوانی RNA دار بسته به نحوه تکثیر آن‌ها در چهار گروه مختلف قرار میگیرند. قطبیت RNA تا حد زیادی مکانیسم تکثیر و همچنین این که آیا ماده ژنتیکی تک رشته یا دو رشته باشد را تعیین می‌کند. برخی از ویروس‌های RNA دار در واقع مبتنی بر DNA هستند اما از یک RNA واسطه برای تکثیر استفاده می‌کنند. بسیاری از ویروس‌های دارای RNA به شدت به آنزیم همانندسازی RNA وابسته هستند که غالباً توسط ژنوم ویروسی رمزگذاری می‌شوند.
کاربرد ویروس‌ها در علوم زیستی
مطالعه ویروس‌ها، نه تنها برای شناسایی و یافتن روش‌های درمانی بیماری‌های حاصل از آن‌ها اهمیت دارد، بلکه می‌تواند در سایر رشته‌های مربوط به علوم زیستی نیز مفید باشد. در ادامه به بررسی برخی از این برنامه‌های کاربردی در مطالعات ویروس‌شناسی می‌پردازیم:
کاوش در فرآیندهای اساسی سلولی
ویروس‌ها برای مطالعات زیست‌شناسی مولکولی و سلولی از اهمیت زیادی برخوردار هستند، زیرا سیستم‌های ساده ای را ارائه می‌دهند که می‌توانند برای دست‌ورزی و بررسی عملکرد سلولها مورد استفاده قرار گیرند. مطالعه و استفاده از ویروس‌ها اطلاعات ارزشمندی را در مورد بسیاری از جنبه‌های زیست‌شناسی سلولی ارائه داده است. به عنوان مثال، ویروس‌ها مطالعه ژنتیک را ساده‌تر کرده و به درک انسان از مکانیسم‌های اساسی ژنتیک مولکولی مانند تکثیر DNA، رونویسی، پردازش RNA، ترجمه، انتقال پروتئین و ایمونولوژی کمک کرده‌اند.
مهندسی ژنتیک
متخصصان ژنتیک به طور متداول از ویروس‌ها به عنوان ناقل استفاده می‌کنند تا ژن‌ها را به سلول‌های مورد نظر خود وارد کنند. ویروس‌ها در این زمینه می‌توانند برای تولید یک پروتئین مفید مانند داروها و یا بررسی تاثیر ورود یک ژن به ژنوم موجودات مختلف مورد استفاده قرار گیرند.
علم مواد و فناوری نانو در ارتباط با ویروس ها :
دانشمندان توانسته‌اند از ویروس‌ها برای ایجاد سیم‌های فلزی استفاده کنند.
در واقع ویروس‌ها این پتانسیل را دارند، که برای اتصال به مواد مختلف و همچنین خود سامانی،در بلورهای مایع، سلول‌های خورشیدی، باتری‌ها، سلول‌های سوختی و سایر لوازم الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرند.
در آینده، آن‌ها حتی می‌توانند به جای دستگاه‌های درمانی بیومکانیکی عمل کنند و به انسان و حیوانات امکان عمر طولانی‌تر و روند بهبودی کارآمدتری را بدهند.
در فناوری نانو، استفاده از ویروس با پروتئین شناخته شده در سطح آن برای اتصال به یک ماده خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد. محل قرارگیری ژن این پروتئین در یک مکان مشخص در ژنوم است و با قرار دادن تصادفی توالی ژن درون فاژها می‌توان یک کتابخانه فاژی از میلیون‌ها ویروس مختلف ایجاد کرد که هر یک پروتئین متفاوتی را در سطح خود بیان می‌کنند. سپس می‌توان یک نوع خاص از این ویروس را یافت که به ماده مشخصی تمایل دارد. به عنوان نمونه، ویروسی که میل زیادی به طلا دارد، بنابراین نانوذرات طلا می‌توانند در اطراف آن رشد کنند، در نتیجه نانوذرات طلا در پوشش ویروس قرار میگیرند. در این فرایند یک سیم طلایی با طول، قطر و شکل دقیق تولید می‌شود.
ویروس درمانی:
ویروس درمانی فرایندی است که طی آن از ویروس‌ها به عنوان درمانی در برابر بیماری‌های مختلف استفاده می‌شود. در این روش، ویروس‌ها معمولاً برای هدف قرار دادن سلولها و به طور خاص DNAها به عنوان یک وکتور عمل می‌کنند. ویروس درمانی روشی نوید بخش در درمان سرطان و ژن درمانی محسوب می‌شود.
