การเจริญพันธุ์ของไวรัส

สำหรับไวรัสที่ทำให้เกิดโรคพืชสาหร่ายสีน้ำเงิน รา บัคเตรี ไวรัสจะต้องผ่านผนังเซลล์ก่อนที่จะผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เข้าไปข้างใน โปรตีนที่พอกห่อหุ้มกรดนิวคลีอิคของไวรัสจะทำปฏิกิริยากับผนังเซลล์ (อาจจะเป็นไลโพโพลิแซกคาไรด์ หรือมูโคโพลิแซกคาไรด์) กระตุ้นกลไก ให้กรดนิวคลีอิคของไวรัส หรือไวรัสเปลือยผ่านเยื่อหุ้มเข้าไปในเซลล์ได้สะดวก การทดลองใช้กรดนิวคลีอิคของไวรัส หรือไวรัสเปลือยอย่างเดียว ผ่านผนังเซลล์พืชมักไม่ได้ ทำให้ทราบว่าโปรตีนที่พอกห่อหุ้มกรดนิวคลีอิคของไวรัส มีความสำคัญในการช่วยให้ไวรัสเข้าไปเจริญแพร่พันธุ์ในเซลล์ได้ อย่างไรก็ดี ในระยะหลังนี้ได้พบว่า กรดนิวคลีอิคของไวรัส หรือไวรัสเปลือยของโรคไวรัสใบยาสูบด่าง ก็สามารถผ่านผนังเซลล์ใบยาสูบ และสังเคราะห์ไวรัสใบยาสูบด่างที่สมบูรณ์ได้ ด้วยกลไกพิเศษ สภาวะดังกล่าวนี้ ปัจจุบันเรียกว่า "ทรานสเฟคชัน"(transfection)

สำหรับไวรัสที่ทำให้เกิดโรคในคนและสัตว์ ไวรัสที่มีเยื่อหุ้มมักเข้าไปในเซลล์ทั้งอนุภาคไวรัส เยื่อมักค้างติดอยู่ที่ผิวเซลล์ โปรตีนที่หุ้มห่อกรดนิวคลีอิคของไวรัสจะถูกย่อยสลายภายในเซลล์ ทำให้กรดนิวคลีอิคของไวรัส หรือไวรัสเปลือยอยู่ภายในเซลล์

เมื่อกรดนิวคลีอิคของไวรัสเปลือยเข้าไปในเซลล์แล้ว ไวรัสเปลือยอาจจะ 

๑. เปลี่ยนสภาพเป็นโปรไวรัส แฝงตัวร่วมกับกรดนิวคลีอิคของเซลล์ในลักษณะวงชีพเภทนะ 
๒. ไวรัสเปลือยหากเป็นอิสระ หรือโปรไวรัสหากเปลี่ยนสภาพเป็นไวรัสเปลือย ย่อมทวีจำนวนแพร่พันธุ์สังเคราะห์ไวรัสที่สมบูรณ์ ในลักษณะวงชีพเภทะ 
๓. โปรไวรัสที่ผันแปร หรือไวรัสที่ผันแปร หากทวีจำนวนแพร่พันธุ์ย่อมสังเคราะห์ไวรัสไม่สมบูรณ์ ไวรัสที่ไม่สมบูรณ์อาจจะอยู่ทั้งในลักษณะเซลล์สลาย หรือไม่สลายก็ได้

ไวรัสตามธรรมชาติจำเป็นจะต้องเข้าไปเจริญ และทวีแพร่พันธุ์ในเซลล์ของสิ่งที่มีชีวิตเท่านั้น ไวรัสจะสามารถเจริญ และทวีแพร่พันธุ์ในเซลล์ชนิดใดนั้น แล้วแต่ชนิดไวรัส ในการเจริญทวีแพร่พันธุ์ของไวรัสมีขั้นตอนดังนี้ 

๑. ไวรัสจะต้องเข้าไปภายในเซลล์ของสิ่งที่มีชีวิต 
๒. ไวรัสจะต้องสร้างกรดนิวคลีอิคขึ้นใหม่ในเซลล์ของสิ่งที่มีชีวิตนั้นได้ (replicating nucleic acid) 
๓. ไวรัสจะต้องสร้างโปรตีนพอก (coat protein) ห่อหุ้มกรดนิวคลีอิค เพื่อให้เกิดไวรัสที่สมบูรณ์ ส่วนที่เป็นกรดนิวคลีอิคเท่านั้นจะทวีจำนวนมากมายในเซลล์ กรดนิวคลีอิคของไวรัสบางชนิด อาจจะเป็น ดี เอ็น เอ สายเดียว (+) บางชนิดอาจจะเป็น ดี เอ็น เอ สองสาย (+ และ -) บางชนิดอาจจะเป็น อาร์ เอ็น เอ สายเดียว (+) บางชนิดอาจ จะเป็น อาร์ เอ็น เอ สองสาย (+ และ -) 

ในการทวีจำนวนกรดนิวคลีอิคนั้น อาจจะมีได้ ๓ แบบ 

ก. ดี เอ็น เอ สร้าง ดี เอ็น เอ ซึ่งยีนของไวรัสเป็น ดี เอ็น เอ เช่น ไวรัสฝีดาษ หรือไข้ทรพิษ 
 

ค. อาร์ เอ็น เอ สร้าง ดี เอ็น เอ ก่อน แล้วจึงสร้าง อาร์ เอ็น เอ ซึ่งยีนของไวรัสเป็น อาร์ เอ็น เอ ถอดออกมาในลักษณะ ดี เอ็น เอ ของไวรัส เพื่อแฝงร่วมกับ ดี เอ็น เอ ของเซลล์ เช่น ไวรัส รูส์ซาโคม่า 

เฉพาะในไวรัส อาร์ เอ็น เอ ที่เกี่ยวข้องกับมะเร็ง ซึ่งเป็น อาร์ เอ็น เอ ชนิดสายเดียว (+) อาร์ เอ็น เอ สาย (+) จะสร้าง ดี เอ็น เอ ของไวรัสในลักษณะ ดี เอ็น เอ สองสายช่วง ซึ่งจะแฝงตัวอยู่กับ ดี เอ็น เอ ของเซลล์ในสภาพโปรไวรัส ดี เอ็น เอ ในสภาพโปรไวรัส นี้ จะเป็นแม่พิมพ์ในการสร้าง อาร์ เอ็น เอ สาย (+) 
 

เมื่อผลิตกรดนิวคลีอิคได้แล้ว นอกจากจะผลิตโปรตีนเพื่อพอกห่อหุ้มกรดนิวคลีอิค ไวรัสยังต้องใช้เวลาผลิตโปรตีนเฉพาะ สำหรับทำปฏิริยาในการเกาะผนังเซลล์ (attach- ment protein) โปรตีนที่ควบคุมการทวีแพร่พันธุ์ไวรัส โปรตีนที่ช่วยให้เซลล์สลาย โปรตีนชนิดอื่นๆ ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะแต่ละไวรัส ฯลฯ จึงจะได้อนุภาคไวรัสที่สมบูรณ์ ระยะเวลาที่กรดนิวคลีอิคของไวรัส เข้าไปในเซลล์ จนถึงก่อนระยะสร้างไวรัสที่สมบูรณ์นี้ คือ ระยะไวรัสคราส ซึ่งเป็นช่วงที่ไม่สามารถตรวจพบไวรัสที่สมบูรณ์เลย ในบางกรณี เมื่อไวรัสไม่สามารถสร้างโปรตีน เพื่อพอกกรดนิวคลีอิคดังกล่าวได้ครบถ้วน ก็ได้ไวรัสที่ไม่สมบูรณ์

กรดนิวคลีอิคของไวรัสที่ไม่มีโปรตีนพอก มักจะแฝงตัวอยู่กับกรดนิวคลีอิคของ เซลล์ในสภาพโปรไวรัส โปรไวรัสจะสร้างโปรไวรัสพร้อมๆ กับการสร้างกรดนิวคลีอิค ของเซลล์ใหม่ทุกครั้ง 

หลังจากไวรัสเจริญและทวีแพร่พันธุ์ ไวรัสบางชนิดก็ไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง ภายในเซลล์อย่างใด แต่ไวรัสบางชนิด ก็ทำให้เซลล์เปลี่ยนแปลงผิดปกติ จนเซลล์นั้น ตาย ซึ่งจะเป็นวงชีพเภทะ ในบางกรณีไวรัสสองชนิด แต่ละชนิดไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงภายในเซลล์เลย แต่เมื่อไวรัสดังกล่าวทั้งสองชนิดเมื่อนำมาเพาะเลี้ยงร่วมกันในเซลล์ อาจจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในเซลล์ได
 

บางไวรัสอาจจะพบการเปลี่ยนแปลงในเซลล์คือ ทำให้เกิดอนุภาคพิเศษขึ้นภายใน เซลล์เรียกว่า "อินคลูชัน" อินคลูชันนี้ อาจพบในไซโตพลาสมิก (cytoplasmic inclusion bodies) และ/หรือภายในนิวเคลียส (nuclear inclusion bodies) อินคลูชันนี้ เห็นได้ด้วยกำลังขยายของกล้องจุลทรรศน์ธรรมดา อินคลูชันอาจจะมีไวรัสภายในหรือไม่มีก็ได้ ไวรัสบางชนิดทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฉพาะที่ผิวเซลล์ ทำให้เซลล์หลายเซลล์เชื่อมรวม กันเป็นเซลล์เดียว บางไวรัสสามารถจะทำให้เซลล์ปกติเปลี่ยนสภาวะเป็นมะเร็งได้ บาง ไวรัสก็แฝงตัวอยู่เฉยๆ ในเซลล์นั้นในสภาพโปรไวรัส แม้เซลล์จะมีการทวีจำนวน โปรไวรัสก็สามารถแฝงตัวอยู่กับเซลล์เหล่านั้นได้ตลอดไป ซึ่งจะเป็นวงชีพเภทนะ โปรไวรัสนี้ จะแผลงฤทธิ์ ทวีแพร่พันธุ์เป็นไวรัสที่สมบูรณ์ในเซลล์เหล่านั้นต่อเมื่อโอกาสเหมาะอำนวย ไวรัสที่ทวีแพร่พันธุ์นี้ อาจจะมีบางอนุภาค (หนึ่งในล้าน) ต่างจากไวรัสดั้งเดิม อันเป็น ผลเนื่องจากการผันแปร (mutation) รหัสของยีน (genetic code) ที่ถ่ายทอดทางกรรม พันธุ์ อาทิเช่น ไวรัสของบักเตรีที่ ๒ อาจมีน้ำตาลกลูโคส เกาะที่หมู่ไฮดรอกซี เมธิลไซโตซีน การผันแปรดังกล่าว มีผลทำให้ชนิดของโปรตีนที่เคลือบพอกไวรัสแตกต่างจากเดิม ไปด้วยบางทีไวรัสที่ผันแปร อาจเพิ่มหรือลดความรุนแรงของอาการ ที่เป็นโรค นอกจาก นี้ยังพบว่าไวรัสบางชนิดสามารถนำยีนจากเซลล์หนึ่งไปให้อีกเซลล์หนึ่งได้ (transduction)

ในการศึกษาไวรัสแต่ละชนิดที่เกี่ยวกับโรคโดยสมบูรณ์มักจะต้องศึกษาทุกด้าน คือ 

๑. ลักษณะสัณฐานและวิธีการแพร่พันธุ์ 
๒. คุณสมบัติทางเคมีและฟิสิกส์ของไวรัส 
๓. คุณสมบัติทางวิทยาอิมมูน (immunology) รวมทั้งวิธีการตรวจสอบไวรัสและ ภาวะภูมิคุ้มกันไวรัส 
๔. การเกิดสภาวะขัดขวางการสังเคราะห์ไวรัสด้วย โปรตีน "อินเตอร์เฟอรอน" (interferon) 
๕. คุณสมบัติที่จะเสื่อมสลายได้ง่ายต่อความร้อนและสารเคมี 
๖. การแพร่ระบาดของไวรัสตามธรรมชาติ 
๗. ประเภทของสิ่งที่มีชีวิต เนื้อเยื่อ และชนิดของเซลล์ต่างๆ ที่ไวรัสเจริญแพร่ พันธุ์ได้ง่ายและดี รวมทั้งสภาวะ ที่เกิดไวรัสผันแปร ตามธรรมชาติ หรือเลี้ยงในห้องทดลองนาน จนสามารถนำมากระตุ้นให้เกิดภูมิคุ้มกัน โดยไม่เป็นโรค อย่างรุนแรงได้ อาทิ เช่น ไวรัสอีสุกอีใส หากเพาะเลี้ยงกับเซลล์ไตลิงที่อุณหภูมิ ๓๗ °ซ. จะลดความรุนแรง เมื่อเปรียบเทียบกับที่อุณหภูมิ ๓๗ °ซ. ไวรัส โปลิโอปกติหากเพาะเลี้ยงในเซลล์ ไม่ต้องอาศัยกัวนีนเป็นปัจจัยในการเลี้ยงไวรัส แต่หากเกิดการผันแปรไวรัสโปลิโอ จนต้องเสริมกัวนีน ในการเพาะ เลี้ยงไวรัสแล้ว จะพบว่าไวรัสโปลิโอที่ผันแปรนั้น อ่อนฤทธิ์ลง 
๘. พยาธิสภาพอันเนื่องจากไวรัส รวมทั้งการเปลี่ยนแปลงภายในเซลล์และผิว เซลล์ การกลายเป็นเซลล์มะเร็ง สภาวะที่ ไซคลิก เอ เอ็ม พี (cyclic AMP) ต่ำก่อนที่เซลล์ปกติจะกลายเป็นเซลล์มะเร็ง เป็นต้น 
๙. อาการของโรคอันเนื่องจากไวรัส

นอกเหนือจากความสำคัญเกี่ยวกับโรคมนุษย์ พืชและสัตว์ทางด้านสุขภาพมนุษย์ และเศรษฐกิจทางเกษตรกรรมแล้ว ทางด้านชีววิทยาจึงมุ่งศึกษาในแนวทางที่จะให้เข้าใจ ว่าไวรัสคืออะไร แตกต่างจากสิ่งที่มีชีวิตอื่นอย่างไร มีรูปร่างสัณฐานแบบไหน ทวีจำนวน แพร่พันธุ์อย่างไร จะทำให้บริสุทธิ์และตกผลึกได้อย่างไร มีคุณและโทษแก่มนุษย์อย่างไร ส่วนมากเรามักจะทราบว่า ให้โทษ ที่ให้คุณนั้นมีน้อย เช่น ไวรัสของดอกทิวลิป ไวรัสที่ ฆ่าด้วงมะพร้าว ไวรัสที่ฆ่าหนอนผัก ไวรัสกำจัดหนอนสมอฝ้าย ฯลฯ การใช้ไวรัส เพื่อสอดเสริมยีนที่ต้องการเข้าไปแฝงอยู่ในเซลล์ตามที่นักจุลชีววิทยาจะบงการกำหนดได้ ก็กำลังเป็นปัญหาก้าวหน้าที่สำคัญ

ประการสำคัญที่เป็นปัญหาปัจจุบันนี้ก็คือ การสลับเรียงตัวของนิวคลีโอไทด์ ซึ่งเป็นองค์ประกอบของกรดนิวคลีอิค ก็คือรหัสของยีน อันเป็นสัญลักษณ์ที่นักวิชาการทั่วโลก ได้พยายามพากเพียรถอดแปลความหมายของรหัสยีน นอกจากนี้ ไวรัสยังอาจจะเป็นสาเหตุอันหนึ่ง ที่เป็นปัจจัยในการที่เซลล์ปกติ เปลี่ยนสภาวะมาเป็นมะเร็งได้ เพราะระหว่างที่เป็นมะเร็ง จะตรวจพบไวรัสได้ ในบางพวกที่ตรวจไม่พบไวรัส ก็เชื่อว่า มีโปรไวรัส แฝงอยู่กับกรดนิวคลีอิคของเซลล์มะเร็ง ปัจจุบัน การศึกษากลไกของไวรัส ที่ทำให้เป็นมะเร็ง ยังผลให้ทราบการเปลี่ยนสภาพปกติ กลายเป็นมะเร็ง อันจะเป็นแนวทางให้นักวิทยาศาสตร์สามารถหาหนทางที่จะยับยั้ง หรือป้องกันมิให้เกิดมะเร็งได้

นอกจากนี้การใช้ไวรัส เสมือนเครื่องมือในการเพิ่มเติม เสริมสอดยีนใหม่ให้แก่ สิ่งที่มีชีวิตที่ต่างชนิด (species) ก็ยังเป็นสิ่งที่เป็นปัญหาน่าสนใจยิ่งทางชีววิทยาในอนาคต โดยที่เอาเฉพาะโปรตีนของไวรัสโปลีโอม่าห่อหุ้มยีนหนู ซึ่งสกัดจาก ดี เอ็น เอ ของนิวเคลียสเซลล์หนู ทำเป็นไวรัสเทียม (pseudovirus) แล้วให้เข้าไปเจริญในเซลล์คน ก็พบ ดี เอ็น เอ ของนิวเคลียสคน มี ดี เอ็น เอ ของนิวเคลียสหนูแฝงอยู่ หรืออีกนัยหนึ่ง ยีน ของเซลล์คนมียีนของเซลล์หนูแฝงอยู่ 

บางคนก็ได้ทดลองกับไฟโบรบลาสเซลล์ของคน ที่ขาดเอนไซม์ ที่สลายน้ำตาล กาแล็กโทส ในเมื่อนำไวรัสบัคเตรีแลมดาที่นำยีน ซึ่งสามารถสลายน้ำตาลกาแล็กโทส ในบัคเตรี ให้เข้าไปเจริญในไฟโบรบลาสเซลล์คนดังกล่าว ก็พบว่า ไฟโบรบลาสเซลล์คน สร้างเอนไซม์ที่สลายน้ำตาลกาแล็กโทสได้

ในปัจจุบันได้มีการค้นพบว่า โรคของมนุษย์หลายชนิดมีสาเหตุเนื่องจากยีนผิด ปกติ ถ้าหากมีผู้สามารถใช้ไวรัส นำยีนปกติไปปรุงแต่งแก้ไข เพื่อให้เซลล์กลับสภาวะทำงานเป็นปกติได้ ก็จะเป็นการเยียวยาแก้ไข้ต้นตอ ของสาเหตุให้เกิดโรคดังกล่าวได้ หากได้รับการพัฒนาทางด้านเทคนิคทางวิชาการก้าวหน้า จนนำมาประยุกต์อย่างได้ผล      การศึกษาทดลองดังกล่าว นับได้ว่าเป็นแต่เพียงบันไดขั้นแรกในการแพทย์ที่จะ บำบัดโรค อันเนื่องจากยีนผิดปกติ เสมือน เซอร์ อเล็กซานเดอร์ เฟลมิง (Sir Alexander Fleming) ได้เริ่มสังเกตเห็น ตั้งแต่ ค.ศ. ๑๙๒๙ ว่า เชื้อราบางชนิดที่หลงไปขึ้นในจาน เพาะเชื้อบัคเตรี บัคเตรีที่เพาะไว้นั้นจะไม่ขึ้นเลยรอบๆ บริเวณที่เชื้อราขึ้น จนกระทั่ง ค.ศ. ๑๙๔๐ จึงผลิตเพนิซิลลินขึ้นมาทดลองกับมนุษย์คนแรกได้ กับทั้งทางสหรัฐอเมริกา ต้องลงทุนอย่างมหาศาล พร้อมด้วยแรงของวิทยากรอย่างมากมาย ต่อมาหลายปี จึงสามารถผลิตเพนิซิลลินขึ้นจำหน่ายในราคาย่อมเยาอย่างไม่คาดฝันได้      ถึงแม้การศึกษาไวรัสได้ดำเนินกันอย่างกว้างขวางก็จริง ยิ่งมากก็ยิ่งซับซ้อน ดังเช่น โรคสเครปี้ในแกะ เป็นโรคที่ทางการสัตวแพทย์คาดว่า สาเหตุเนื่องจากไวรัส เพราะสามารถจะติดต่อได้โดยกินรกของสัตว์ป่วยตอนคลอดลูก หรือโดยฉีดน้ำยาที่สกัดจากสมองสัตว์ ป่วย กรองให้ปราศจากบัคเตรี แต่เชื่อว่ามิได้เหมือนไวรัส เพราะไม่ถูกทำลาย โดยกรดนิวคลีอิค ดี เอ็น เอส และ อาร์ เอ็น เอ เอส ทางด้านพืชก็ยังพบว่า โรคของมันฝรั่งและส้มบางชนิดนั้น เกิดจากไวรอยด์ (viroid) ซึ่งเป็นอนุภาคแบบ อาร์ เอ็น เอ สายเดียวที่ไม่มีโปรตีนหุ้มและมีขนาดเล็กกว่าไวรัส ๘๐ เท่า