علم الفيروسات

علم الفيروسات (بالإنجليزية: Virology) وهو العلم المختص بدراسة الفيروسات – دون المجهرية وجينات الجسيمات الطفيلية المحاطة بغلاف بروتيني  والجسيمات الشبيهة بالفيروسات، والذي يركز على الجوانب التالية من الفيروسات: هيكلها وبناءها، التصنيف، التطور، وطريقة اصابتها للخلية العائل واستغلالها في انتاج مادتها الوراثية في التكاثر وتفاعلها مع وظائف خلية العائل والمناعة، والأمراض التي تسببها، وتقنيات العزل والزراعة، واستخدامها في البحث والعلاج. ويعتبر علم الفيروسات أحد فروع علم الاحياء الدقيقة (بالإنجليزية: microbiology) والطب.

هنالك ثلاث فرضيات تتعلق بأصل وجود الفايروسات وهي

1. نشأت الفايروسات من المواد غير الحية ربما بشكل انزيم الحمض النووي الرايبوزي الذاتية التكاثر والمشابهة لأشباه الفايروسات.
2. نشأت الفايروسات من اختزال الجينوم الذي حدث في السابق، كأشكال الحياة الخلوية الأكثر اختصاصا والتي اصبحت طفيليات للعائل والتي بعد ذلك، فقدت وظائفها. من الأمثلة على هذة الطفيليات الدقيقة البدائية النوى: المفطورة والنانو اركيا (بالإنجليزية nanoarchaea).
3. نشأت الفايروسات من عناصر النقل الوراثية للخلايا مثل الجينات القافزة، ريترو ترانسبوزونس (بالإنجليزية retrotransposons) أو البلازميدات) التي أصبحت مغلفة في قفيصات بروتينية واكتسبت القدرة على "التحرر" من الخلية المضيفة وإصابة خلايا أخرى.
للفايروس المحاكي أهمية خاصة، فهو فايروس عملاق يصيب الاميبا ويشفر الكثير من الآلات الجزيئية المرتبطة تقليديا مع البكتيريا. فهل هو نسخة مبسطة من بدائيات النوى الطفيلية، أو أنه نشأ كفايروس مبسط اكتسب من مضيفه؟
مجال تطور الفيروسات (بالإنجليزية viral evolution)، يدرس تطور الفايروسات الذي يحدث في كثير من الأحيان مع تطور مضيفيهم.
في حين أن فيروسات تتكاثر وتتطور، إلا أنها لا تشارك في عملية الايض، فلا تتحرك، وتعتمد على الخلية المضيفة للتكاثر. إن أكثر سؤال مثير للجدال هو عما إذا كانت الفايروسات على قيد الحياة أم لا؟ ولكن هذا التساؤل لا يؤثر على الواقع البيولوجي للفيروسات.

الأمراض الفيروسية ودفاع الجسم العائل

احدى الدوافع الرئيسية لدراسة الفيروسات هي حقيقة أنها تسبب العديد من الأمراض المعدية الهامة، من بينها الزكام والانفلونزا وداء الكلب والحصبة والعديد من أشكال الإسهال والتهاب الكبد وحمى الضنك والحمى الصفراء وشلل الأطفال والجدري ومرض الإيدز. فيروس الحلأ البسيط (الهربس البسيط) يسبب القروح الباردة والهربس التناسلي ناهيك عن أنه يجري التحقيق في احتمالية كونه عامل مؤثر في مرض الزهايمر.
بعض الفيروسات، المعروفة باسم الفيروس الورمي، تساهم في تطوير أشكال معينة من السرطان. وأفضل مثال مدروس في ذلك هو الارتباط بين فيروس الورم الحليمي البشري وسرطان عنق الرحم: تقريبا، جميع حالات سرطان عنق الرحم تسبب من قبل بعض سلالات هذا الفيروس الذي يتم انتقاله بالاتصال الجنسي. مثال اخر هو اجتماع العدوى بفيروسات التهاب الكبد ب والتهاب الكبد C وسرطان الكبد.
كما و تسبب بعض الجزيئات الفيروسية أمراضا مثل اعتلالات الدماغ الإسفنجية المعدية، والتي تشمل كورو، مرض كروتزفيلد جاكوب واعتلال الدماغ الإسفنجي البقري (مرض "جنون البقر")، الناجمة عن البريونات، ومرض التهاب الكبد الفيروسي د الذي يسببه (satellite virus).
بعض المصطلحات التي تتعلق بهذا الموضوع هي المرضية الفيروسية ( بالإنجليزية viral pathogenesis) وهي دراسة الطريقة التي يسبب فيها الفيروس المرض، أما حدة الجرثوم أو الفيروس فهي الدرجة التي يسبب فيها الفيروس المرض.
عندما يتم مواجهة فيروس من قبل الجهاز المناعي للفقاريات فانه ينتج اجسام مضادة محددة لهذا الفيروس لالغاء تأثيره او تحديده لتدميره. الاجسام المضادة الموجودة في مصل الدم غالبا ما يتم استخدامها لمعرفة ما اذا كان الشخص قد تعرض لفيروس معين سابقا ويتم معرفة ذلك عن طريق تجارب واختبارات مثل تقنية الإلايزا أو (المُقايَسَةُ الامْتِصاصِيَّةُ المَناعِيَّةُ للإِنْزيمِ المُرْتَبِط). التلقيحات تحمي من الأمراض الفيروسية، من خلال إجبارهم على إنتاج الأجسام المضادة. كما ويمكن استخدام الاجسام المضادة المحددة لهذا الفيروس، للكشف عن الفيروس مثل الجسم المضاد أحادي النسيل.
بالاضافة إلى ذلك فانه يوجد طريقة اخرى تتبعها الفقاريات للحماية ضد الفيروسات الا وهي باستخدام الخلايا المناعية المعروفة باسم الخلايا التائية حيث أن خلايا الجسم تعرض باستمرار شظايا قصيرة من البروتينات على سطح الخلية، واذا ما تعرفت الخلية التائية على جزء فيروسي مشبوه هناك فانه يتم تدمير الخلية العائلة وتكاثر الخلايا التائية المحددة لهذا الفيروس. من الجدير بالذكر أن بعض التطعيمات تتبع هذه الطريقة.
"تداخل الحمض النووي الريبوزي" هي آلية خلوية هامة موجودة في النباتات والحيوانات والعديد من حقيقيات النوى الأخرى، تطورت على الأرجح كوسيلة للدفاع ضد الفيروسات. هناك آلية معقدة من الإنزيمات المتفاعلة تقوم بالكشف عن جزيئات الحمض النووي الريبوزي المزدوجة (التي تحدث كجزء من دورة حياة العديد من الفيروسات)، ثم تنتقل إلى تدمير كافة جزيئات الحمض النووي الريبوزي الوحيدة التي تم اكتشافها.
كل مرض فيروسي قاتل يقوم بعرض مفارقة: من الواضح أن قتل الجسم العائل لا يعود باي فائدة على الفيروس، فكيف ولماذا تطورت للقيام بذلك؟ من المعروف اليوم أن معظم الفيروسات حميدة نسبيا في الاجسام العائلة لها، بل قد تكون مفيدة ايضا. أما بالنسبة للأمراض الفيروسية القاتلة فيعتقد بانها قد نتجت من انتقال الفيروس من فصيلة يكون حميد لها إلى فصيلة اخرى غير معتادة عليه. على سبيل المثال، فان الفيروسات التي تسبب الانفلونزا الخطيرة في البشر تتخذ الخنازير والطيور كعائل طبيعي لها، كما ويعتبر فيروس نقص المناعة البشرية أنه يأتي من فيروس (SIV)، وهو فيروس حميد غير بشري. 
في حين أنه كان من الممكن منع (بعض) الأمراض الفيروسية من خلال التطعيم لفترة طويلة، فان تطوير الأدوية المضادة للفيروسات لعلاج الأمراض الفيروسية يعتبر تطور حديث نسبيا. كان أول هذه الادوية الانترفيرون، وهي المادة التي يتم انتاجها بشكل طبيعي في الجسم عندما يتم الكشف عن العدوى بالاضافة إلى انها تقوم بتحفيز أجزاء أخرى من الجهاز المناعي.

أبحاث الأحياء الجزيئية في العلاج بالفيروسات

إن العاثيات (الفاجآت البكتيريه )، وهي الفيروسات التي تهاجم البكتيريا، قادرة على أن تنمو في البيئات البكتيرية على شكل ترسبات. إن هذه الفيروسات (الفاج) تعمل على نقل المادة الوراثية من خلية بكتيرية إلى خلية بكتيرية أخرى بما يُعرف بالانقال الفيروسي ( بالإنجليزية: transduction )،  وتعتبر هذه العملية، وهي عملية نقل الجينات الأفقي، واحدة من الأسباب التي جعلت الفيروسات من الأدوات المهمة التي أسهمت في تطور الأحياء الجزيئية. فالشيفر الوراثية، وطريقة عمل انزيم الحمض النووي الريبوزومي، ومكتبة الجينات (بالإنجليزية: Genetic libraries) والجينات معادة التركيب كلها كان لها دور في عمل الفيروسات مهاجمة البكتيريا. كذلك ان عناصر جينية خاصة بالفيروسات، مثل المحفز، عادة ما تستخدم في أبحاث الأحياء الجزيئية.
أما الفيروسات النامية داخل الحيوانات، فهو من الصعب نموها خارج خلايا الكائن المضيف، لذا تُستخدم أجنة بيض الدجاج لتنمية هذه الفيروسات، عن طريق حقن الفيروسات في الأغشية الجنينية.
وبما أن الفيروسات التي تهاجم الخلايا حقيقية النواة تحتاج نقل مادتها الوراثية إلى نواة الخلية المضيفة، فإنها تحتاج أدوات جذابة لتضيف جينات جديدة إلى المضيف (بما يعرف بالتحويل )، تستخدم الفيروسات القهقرية (بالإنجليزية: Retrovirus) المعدلة لهذا الهدف، حيث تقوم بحقن مادتها الوراثية في كروموسوم الخلية المضيفة.
إن هذا النهج في استخدام الفيروسات كناقلات جينية يعد وسيلة ساعية للعلاج الجيني لكثير من الأمراض الوراثية، ولكن المشكلة الواضحة التي يجب التغلب عليها في مجال العلاج الجيني الفيروسي هي منع التحويل أو الانقال الفيروس من قِبل الجهاز المناعي للكائن المضيف.
العلاج بالعاثية (العلاج بالفيروسات مهاجمة البكتيريا )، وهو استخدام الفاجآت لعلاج الأمراض البكتيرية، كانت من المواضيع المشهورة للبحث فيها قبل اكتشاف المضادات الحيوية وحديثا عادت كاهتمام للباحثين.
الفيروسات حالة الورم (بالإنجليزية: Oncolytic virus)، وهي الفيروسات التي تصيب جدار الخلايا السرطانية. بينما أن الجهود الحديثة لتوظيف هذه الفيروسات في مجال علاج الأمراض السرطانية، كان هناك تقارير عام 2005 و 2006 محفزة لنتائج تمهيدية.

الفيروسات في الدراسات البيولوجية

استخدمت الفيروسات بسبب ميزتها في كونها انظمة بسيطة في كثير من الدراسات في الاحياء حيث يمكن استخدامها للتلاعب والتحقيق في وظائف الخلايا وقد استخدمت الفيروسات على نطاق واسع في مجال الأبحاث الوراثية وفهم الجينات وتكرار الحمض النووي والنسخ وتشكيل الحمض النووي الريبي والترجمة وتشكيل البروتين وأساسيات علم المناعة.

الفيروسات واللقاحات

حيث يتم إعطاء الاشخاص لقاحات تحتوي على فيروسات ضعيفة أو جزء من الفايروس حيث يقوم الجسم بتشكيل مناعة ضد الفايروس والتعرف عليه ومهاجمته في حال دخوله إلى الجسم مرة أخرى.

الفيروسات في الزراعة

حيث يتم استخدام الهندسة الوراثية والتعديل على الجينات لتعديل الجينات التي سوف تقوم النباتات او الحيوانات بحملها ويتم استخدام الفيروسات كناقلات لحمل الجينات المعدلة وراثيا وادخالها للنباتات أو الحيوانات لجعلها أكثر إنتاجا.

الفيروسات في تكنولوجيا النانو

تعتمد تكنولوجيا النانو على استخدام الكائنات المجهرية ولها الكثير من الاستخدامات في مجال الاحياء والطب وفي مجال الهندسة الوراثية حيث يتم استخدام الفيروسات كناقلات للجينات المعدلة لداخل الخلايا المستهدفة.

تاريخ علم الفايروسات

ظهرت كلمة فيروس في 1599 وفي الأصل تعني "السم".
وقد تم تطوير نموذج مبكر جدا من التطعيم المعروف باسم تجدير (بالإنجليزية variolation ) منذ عدة آلاف السنين في الصين. أنه ينطوي على تطبيق المواد من يعانون من مرض الجدري من أجل تحصين الآخرين. في عام 1717 لاحظت السيدة ماري ورتلي مونتاجو (بالإنجليزية ماري وورتلي مونتاغيو) التطعيم في إسطنبول وحاولت تعميم ذلك في بريطانيا، ولكن واجهت مقاومة كبيرة. في عام 1796 وضعت إدوارد جينر طريقة أكثر أمانا، وذلك باستخدام جدري البقر لتحصين صبي صغير ضد الجدري بنجاح، واعتمدت هذه العملية (التطعيم ) على نطاق واسع. تلا ذلك التطعيم ضد الأمراض الفيروسية الأخرى، بما في ذلك التلقيح ضد داء الكلب الناجح الذي قام به لويس باستور في عام 1886. ومع ذلك، كانت طبيعة الفيروسات ليست واضحة لهؤلاء الباحثين. في عام 1892، استخدم عالم الأحياء الروسي ديمتري إيفانوفسكي فلتر شامبرلان (بالإنجليزية مصفاة شمبرلند) في محاولة عزل البكتيريا التي تسبب مرض تبرقش التبغ (بالإنجليزية tobacco mosaic disease ) وأظهرت تجاربه أن مستخلصات الأوراق المسحوقة من نباتات التبغ المصابة بقيت معدية بعد الترشيح.

ذكرت انفانوفيسكي ان المواد الدقيقة المعدية أو السم، قادرة على اجتياز الفلتر، ويمكن أن يتم إنتاجها من قبل البكتيريا.
في عام 1898 كررت مارتينوس بايرينك عمل إيفانوفسكي لكنها ذهبت إلى أبعد من ذلك واجتازت "وكيل ترشيح" من مصنع إلى آخر، وجدت العمل كاملا غير منقوص، وتم الوصول إلى أنه الفيروسات المعدية تتضاعف في الكائن المضيف، وبالتالي ليست مجرد مادة سامة (بالإنجليزية ذيفان )، سماه كنتيوم فيم فلديم (بالإنجليزية contagium vivum fluidum ) والسؤال عما إذا كان هوعامل او جسيم لا يزال مفتوحا؟!
في عام 1903 اقترح لأول مرة أن تبادل المادة الوراثية (التنبيغ) (بالإنجليزية transduction) عن طريق الفيروسات قد تسبب السرطان. في عام 1908 أظهر بانج وإيليرمان أن فيروس ترشيح يمكن أن ينقل سرطان الدم في الدجاج، هذه البيانات تم تجاهلها إلى حد كبير حتى 1930 عندما أصبح سرطان الدم يعتبر سرطان. في عام 1911 ذكرت بيتن الروس (بالإنجليزية Peyton Rous ) نقل ساركوما الدجاج، والأورام الصلبة، مع الفيروس، وبالتالي الروس أصبح "الأب من الفيروسات الورم".  كان يسمى الفيروس في وقت لاحق روس ساركوما فيروس (1) (بالإنجليزية Rous sarcoma virus 1 ) ويفهم أن يكون الفيروس الارتجاعي. ومنذ ذلك الحين تم وصف العديد من الفيروسات الأخرى المسببة للسرطان.
في عام 1911 تم ملاحظة وجود الفيروسات التي تصيب البكتيريا (فاجات البكتيريا) لأول مرة من قبل فريدريك تورت، ومن قبل فيليكس دهيريل في عام 1917 بشكل مستقل. ويمكن أن تنمو البكتيريا بسهولة في
البيئة أدى ذلك إلى انفجار أبحاث علم الفيروسات.
وكان سبب وباء الانفلونزا الأسبانية (بالإنجليزية Spanish flu) المدمر عام 1918 غير واضحا في البداية. في أواخر عام 1918، أظهر العلماء الفرنسيين أن "فيروس مرشح" يمكن أن ينقل المرض إلى البشر والحيوانات، والوفاة فرضيات كوخ.
في عام 1926تبين أن الحمى القرمزية تسببها بكتيريا با لعدوى عن طريق جراثيم معينة.
في حين أن الفيروسات النباتية والبكتيريا يمكن زراعتها بسهولة نسبية، الفيروسات الحيوانية تتطلب عادة الحيوانات الحية المضيفة، مما يعقد دراستهم بشكل هائل. في عام 1931 تبين أن فيروس الانفلونزا يمكن أن يزرع في بيض الدجاج المخصبة، وهي الطريقة التي لا تزال تستخدم اليوم لإنتاج اللقاحات. وفي عام 1937، نجح ماكس تيلر في تنمية فيروس الحمى الصفراء في بيض الدجاج وإنتاج لقاح من سلالة فيروس مخفف هذا اللقاح ادى إلى إنقاذ ملايين الأرواح وما زالت تستخدم إلى اليوم. ماكس ديلبروك، باحث هاما في مجال فايروس فاج البكتيريا وصف اساسيات "دورة الحياة" للفيروس عام 1937:حيث انه بدلا من "النمو "، يتم تجميع جسيمات الفيروس من القطع المكونة لها في خطوة واحدة. وفي نهاية المطاف فإنه يترك الخلية المضيفة لإصابة خلايا أخرى. وأظهرت التجربة هيرشي تشيس (بالإنجليزية Hershey–Chase experiment ) في عام1952 أن فقط الحمض النووي منقوص الاكسجين (بالإنجليزية DNA) والبروتين لا يدخلا الخلية البكتيرية في عدوى فايروس فاج البكتيريا ت2 (بالإنجليزية bacteriophage T2) وصفت تنبيغ (تبادل المادة الوراثية) (بالإنجليزية transduction) البكتيريا عن طريق فايروس فاج البكتيريا لأول مرة في العام نفسه.
وفي عام 1949 جون ف. اندرز، توماس ويلر و فريدريك روبينز(بالإنجليزية Frederick Robbins) قاموا بدراسة نمو فيروس شلل الأطفال في الخلايا الجنينية (بالإنجليزية embryonal) البشرية المستزرعة، وهو المثال المهم الأول على الفيروسات الحيوانية التي نمت خارج الحيوانات أو بيض الدجاج. تم بمساعدة جوناس سالك في اشتقاق لقاح شلل الأطفال من فيروسات شلل الأطفال المعطل وقد تبين هذا اللقاح أن يكون فعال في عام 1955.
فيروس تبرقش التبغ هو أول فيروس يمكن أن يبلور بالإنجليزية (بلورةized) و بالتالي يمكن توضيح هيكله بالتفصيل وهو الفيروس الذي كان قد درس في وقت سابق من قبل إيفانوفسكي و بجيرنك في عام 1935، توصلت وندل ستانلي إلى التبلور للمجهر الإلكتروني (بالإنجليزية مجهر إلكتروني) وبينت أنه لا تزال نشطة حتى بعد التبلور.

تم الحصول على صور واضحة حيود الأشعة السينية للفيروس المتبلور بواسطة برنال وفنكوشن في عام 1941. واستنادا إلى هذه الصور، اقترحت روزاليند فرانكلين الهيكل الكامل لفيروس تبرقش التبغ في عام 1955أيضا في عام 1955
أظهر هاينز فرانكل كونرات وروبلي وليامز (بالإنجليزية Robley Williams) أن تنقية ( حمض نووي ريبوزي TMV ) والبروتين المغلفة (بالإنجليزية capsid) لها يمكن أن يتم لها تجميع ذاتي في الفيريون الفعالة، مما يشير إلى أن يتم استخدام الية التجمع أيضا داخل الخلية المضيفة، كما اقترح ديلبروك في وقت سابق.
من 1950-1960، تشيستر م ساوثام بالإنجليزية (Chester M. Southam)، الباحث الرائد في عالم الفيروسات والسرطان، حقن مرضى السرطان، والأصحاء، والسجناء من سجن اوهايو (بالإنجليزية Ohio Penitentiary) مع الخلايا السرطانية هيلا من أجل مراقبة إذا السرطان يمكن أن تنتقل، بالإضافة إلى ذلك املا في خلق لقاح للسرطان، لاحظ إذا هذه المجموعة من الاشخاص يمكن أن تصبح محصنة ضد السرطان عن طريق تطوير الاستجابة المناعية المكتسبة. وكانت هذه التجربة مثيرة للجدل، حيث كانت مجموعة مرضى السرطان غير مدركين أنهم حقنو بخلايا سرطانية.