Как микроскопический эпистаз и клональная интерференция формируют траекторию приспособленности в спин-стекольной модели длительной эволюции микроорганизмов

Адаптивная динамика эволюционирующих популяций микроорганизмов протекает на сложном ландшафте приспособленности, формируемом эпистатическими взаимодействиями. Как правило, популяция состоит из множества конкурирующих штаммов — явление, известное как клональная интерференция. Микроскопический эпистаз и клональная интерференция являются центральными аспектами эволюции микроорганизмов, однако их совокупное влияние на функциональную форму средней приспособленности популяции изучено недостаточно. В настоящей работе мы разрабатываем вычислительный метод, позволяющий учитывать всю микроскопическую сложность моделируемой эволюционирующей популяции, подвергаемой стандартному протоколу последовательных разведений. На основе обширных численных экспериментов мы показываем, что усиление микроскопического эпистаза приводит к траекториям приспособленности с более медленным ростом независимо от числа конкурирующих штаммов; этот эффект мы количественно описываем степенными аппроксимациями и механистически интерпретируем с помощью модели случайного блуждания, пренебрегающей динамическими корреляциями между генами. Мы показываем, что увеличение степени клональной интерференции приводит к более быстрому росту траекторий приспособленности, если микроскопический эпистаз отсутствует, но не изменяет скорость роста при достаточно сильном эпистазе. Это указывает на то, что роль клональной интерференции существенно зависит от лежащего в основе ландшафта приспособленности. Пакет программ для моделирования, использованный в этой работе, доступен по адресу: https://github.com/nmboffi/spin_glass_evodyn.