Adaptive efficiency of information processing in immune-pathogen co-evolution (2410.04693v2)
Abstract: Organisms have evolved immune systems that can counter pathogenic threats. The adaptive immune system in vertebrates consists of a diverse repertoire of immune receptors that can dynamically reorganize to specifically target the ever-changing pathogenic landscape. Pathogens in return evolve to escape the immune challenge, forming an co-evolutionary arms race. We introduce a formalism to characterize out-of-equilibrium interactions in co-evolutionary processes. We show that the rates of information exchange and entropy production can distinguish the leader from the follower in an evolutionary arms races. Lastly, we introduce co-evolutionary efficiency as a metric to quantify each population's ability to exploit information in response to the other. Our formalism provides insights into the conditions necessary for stable co-evolution and establishes bounds on the limits of information exchange and adaptation in co-evolving systems.
- S. Luo and A. S. Perelson, Proceedings of the National Academy of Sciences 112, 11654 (2015), https://www.pnas.org/doi/pdf/10.1073/pnas.1505207112 .
- G. D. Victora and M. C. Nussenzweig, Annu. Rev. Immunol. 40, 413 (2022).
- P. Barrat-Charlaix and R. A. Neher, eLife (2024), 10.7554/elife.97350.1.
- O. H. Schnaack and A. Nourmohammad, Elife 10 (2021), 10.7554/eLife.61346.
- N. H. Barton and H. P. de Vladar, Genetics 181, 997 (2009).
- G. Sella and A. E. Hirsh, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 102, 9541 (2005).
- V. Mustonen and M. Lässig, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 102, 15936 (2005).
- V. Mustonen and M. Lässig, Trends Genet. 25, 111 (2009).
- V. Mustonen and M. Lässig, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 107, 4248 (2010).
- T. J. Kobayashi and Y. Sughiyama, Phys. Rev. Lett. 115, 238102 (2015).
- Y. Sughiyama and T. J. Kobayashi, Phys. Rev. E 95, 012131 (2017).
- C. Jarzynski, Phys. Rev. Lett. 78, 2690 (1997).
- G. E. Crooks, Phys. Rev. E Stat. Phys. Plasmas Fluids Relat. Interdiscip. Topics 60, 2721 (1999).
- U. Seifert, Rep. Prog. Phys. 75, 126001 (2012).
- T. Sagawa and M. Ueda, Phys. Rev. Lett. 109, 180602 (2012).
- T. Sagawa and M. Ueda, New J. Phys. 15, 125012 (2013).
- A. C. Barato and U. Seifert, Phys. Rev. E Stat. Nonlin. Soft Matter Phys. 90, 042150 (2014).
- J. M. Horowitz and M. Esposito, Phys. Rev. X 4, 031015 (2014).
- M. Kimura, Nature 217, 624 (1968).
- R. Landauer, IBM J. Res. Dev. 5, 183 (1961).
- K. Koelle and D. A. Rasmussen, Elife 4, e07361 (2015).
- R. Swanstrom and R. F. Schinazi, Science 375, 497 (2022).
- M. P. Leighton and D. A. Sivak, Phys. Rev. Lett. 130, 178401 (2023).
Sponsor
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.