The CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) mechanism allows bacteria to adaptively defend against phages by acquiring short genomic sequences (spacers) that target specific sequences in the viral genome. We propose a population dynamical model where immunity can be both acquired and lost. The model predicts regimes where bacterial and phage populations can co-exist, others where the populations exhibit damped oscillations, and still others where one population is driven to extinction. Our model considers two key parameters: (1) ease of acquisition and (2) spacer effectiveness in conferring immunity. Analytical calculations and numerical simulations show that if spacers differ mainly in ease of acquisition, or if the probability of acquiring them is sufficiently high, bacteria develop a diverse population of spacers. On the other hand, if spacers differ mainly in their effectiveness, their final distribution will be highly peaked, akin to a "winner-take-all" scenario, leading to a specialized spacer distribution. Bacteria can interpolate between these limiting behaviors by actively tuning their overall acquisition probability.


翻译:CRISPR(定期集群地隔空短的低潮重复)机制允许细菌通过获得针对病毒基因组中特定序列的短基因序列(航天员)来适应地防御phage。我们提出了一个可以同时获得和丧失豁免的人口动态模型。模型预测了细菌和phage种群可以同时存在的情况,其他的则人口出现摇晃,还有一些人口被挤压到一个人口被驱赶灭绝的情况。我们的模型考虑了两个关键参数:(1)获取方便,(2)空间员在授予豁免方面的有效性。分析计算和数字模拟表明,如果空间员主要在获取方面有差异,或者如果获得豁免的可能性足够高,细菌会发展出不同的空间员群。另一方面,如果空间员主要在效力方面有差异,其最终分布将会达到高度峰值,类似于“双赢通”情景,从而导致专门的空间员分布。细菌可以通过积极调整其总体获取概率,在这些限制行为之间进行干涉。

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