寄生与营养互作中防御、反防御与反-反防御的优化——一项建模研究

在宿主-病原体互作中，宿主（被攻击生物）常通过某种有毒化合物进行防御，而寄生虫则通过产生使该化合物失活的酶来应对。在某些情况下，宿主可通过产生该酶的抑制剂来响应，这可被视为一种反-反防御。头孢菌素、β-内酰胺酶和克拉维酸（一种 β-内酰胺酶抑制剂）即为一例。在此，我们探讨在进化过程中，何种条件下建立反-反防御比强化或拓宽防御机制更为有利。我们基于竞争性抑制的酶动力学建立了一个描述该现象的数学模型。我们使用基于哈伯法则的目标函数，该法则指出毒性效应与毒素浓度的时间积分成正比。尽管底层微分方程存在非线性，防御与反-反防御的最优分配仍可以解析方式计算。该计算给出了抑制剂解离常数的阈值。仅当抑制常数低于该阈值，即抑制剂强结合时，建立反-反防御才是有利的。这一理论预测解释了并非所有防御机制都存在反-反防御的观察结果。我们的结果对于计算 β-内酰胺类抗生素与 β-内酰胺酶抑制剂（如舒巴坦）的最优组合，以及植物-食草动物和其他分子生态互作，并总体上对抗抗生素耐药性具有参考意义。