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________________________________________________ *e-mail: nathanribeironvr@gmail.com Quim. Nova, vol. 41, No. 5, 302-311, 2018 PRODUÇÃO E PURIFICAÇÃO DE eGFP A PARTIR DE Escherichia coli BL21 Gabriela Aparecida Galves de FREITAS¹, Rodrigo Augusto PETTAN¹, Nathan Vinícius RIBEIRO¹,* ¹ Departamento de Bioprocessos e Biotecnologia, Faculdade de Ciências Farmacêuticas - Unesp, 14800- 903 Araraquara - SP, Brasil. Green fluorescent protein (GFP) is a protein that emits a green bioluminescence under UV light. This characteristic phenomenon, among other qualities, made it an excellent biological marker. Having in mind its great importance and applicability, this project aims the production and purification of enhanced green fluorescent protein (eGFP) from E. coli BL21 transformed with plasmid pET28a. Cells were grown in LB medium at 37 °C, 200 rpm. The protein production was induced with IPTG when cells reached the mid-log phase and after this point cells were grown at 25 °C, 200 rpm. To isolate and purificate eGFP, cells were lysed performing freeze-thaw cycles. Cell debris were removed and the eGFP in the supernatant was extracted using a aqueous two-phase system (ATPS) of 1-propanol and tripotassium citrate followed by a secondary system to back extract the eGFP to a new ethanol-rich top phase. eGFP were successfully purified using this system, yielding an 30% yield of eGFP approximately extracted from the feedstock solution. Although the extraction method resulted in low yields, high eGFP production was achieved by the production method proposed. These low yields may be consequence by some modifications in the extraction method. Keywords: GFP, protein purification, ATPS. INTRODUÇÃO A proteína verde fluorescente (GFP) é um tipo de proteína bioluminescente, que quando estimulada pela luz ultravioleta emite luz verde, encontrada naturalmente na espécie Aequorea victoria de água-viva bioluminescente, isolada por Osamu Shimomura em 19602. A GFP possui uma estrutura constituída por 238 aminoácidos, de 27 kDa, predominantemente monomérico, que se organizam de forma enovelada em uma conformação denominada barril‐β, nos quais os aminoácidos 65, 66 e 67 localizados no centro desta cadeia, constituem o fluoróforo responsável pela emissão da cor verde5. Além de sua forma natural, a GFP produzida de forma recombinante tem sido muito utilizada por sua característica de cromóforo intrínseco. Esta característica reside no fato desta proteína ser capaz de auto sintetizar o composto fluorescente, necessitando apenas da presença de oxigênio molecular para esta síntese, ou seja, sem necessidade de adicionar qualquer componente externo ao organismo para que a sua fluorescência seja detectada. Sendo assim, esta propriedade torna esta proteína um excelente marcador in vivo de expressão gênica, traçador de linhagem celular, sonda A rt ig o 303 transcricional para monitoração não relacionada ao produto, interação e localização de proteínas em vários sistemas biológicos como mamíferos, peixes, insetos, plantas, leveduras e numa grande variedade de bactérias entre outras diversas aplicações na tecnologia de bioprocessos3. Após o isolamento de GFP de Aequorea victoria, diversas versões e variações da proteína foram criadas para melhorar o seu enovelamento, sua fluorescência e até mesmo variações na cor da luz emitida. Uma dessas variações é a Enhanced Green Fluorescent Protein (eGFP) que foi desenvolvida por Cormack et al. (1996) que possui mutações nos resíduos de aminoácidos que flanqueiam o cromóforo da proteína, com isso, os pesquisadores conseguiram uma GFP que, quando foi produzida em E. coli, apresentou um melhor enovelamento e um aumento de 100x na intensidade da fluorescência quando comparada com a GFP não-modificada4. Uma variedade de cepas de E. coli foram desenvolvidas para serem utilizadas em laboratório e produção de proteínas recombinantes, dentre elas, Escherichia coli BL21(DE3) que possui, integrado em seu cromossomo, os genes necessários para que ocorra a expressão do gene de interesse sob o controle do promotor T7 quando houver a indução pela adição de IPTG (Isopropil β-D-1- tiogalactopiranosida) ao meio. A adição de IPTG ao meio ativa a produção da enzima T7 RNA polimerase que irá reconhecer a sequência do promotor T7 no plasmídeo e, então, o gene de interesse será expresso10. No caso do plasmídeo pET-28(a), este possui o promotor T7 controlando a expressão do gene de interesse fusionado uma cauda de histidina na porção N-terminal, um sítio de múltipla clonagem (MCS) e resistência ao antibiótico canamicina16. Levando-se em consideração a relevância e a vasta aplicabilidade da GFP em diversas áreas, uma vez que esta fornece uma ligação direta entre os genes e o DNA, os fatores que influenciam a produção de GFP, o presente estudo, visa, portanto, a produção e purificação de eGFP a partir de E. coli, bem como análise dos resultados obtidos para o método de cultivo, rompimento das células, extração e purificação desta proteína para o processo, para que possam ser úteis para conclusão deste e outros trabalhos de pesquisa. PARTE EXPERIMENTAL Microrganismo e meio de cultura Foi utilizada Escherichia coli BL21(DE3) transformada com o plasmídeo pET-28(a) contendo o gene codificante de eGFP. O meio de cultura utilizado foi Luria-Bertani (LB), composto por 5 g L- 1 de extrato de levedura, 10 g L-1 de triptona e 10 g L- 1 cloreto de sódio (NaCl), suplementado com 50 μg mL-1 dos antibióticos cloranfenicol e canamicina. A esterilização do meio foi feita através de autoclave a 121 °C por 20 min11. Preparo do pré-inóculo Os pré-inóculos foram preparados coletando colônias e inoculando-as em 50 mL de meio LB em frasco erlenmeyer de 250 mL a 37 °C e 200 rpm. Curva de crescimento A curva de crescimento do microrganismo foi realizada a 37 °C e 200 rpm em frasco erlenmeyer de 500 mL contendo 100 mL de meio LB e OD600nm inicial de 0,1. O crescimento foi conforme descrito no item Quantificação do crescimento celular durante 12 h. O cultivo foi realizado em triplicata. 304 Produção de eGFP O cultivo para produção foi realizado em erlenmeyer de 500 mL contendo 100 mL de meio LB e inoculado com uma OD600nm inicial de 0,1. O cultivo foi realizado inicialmente a 37 °C e 200 rpm, até atingir o ponto mediano da fase exponencial de crescimento da bactéria. Neste ponto, a temperatura foi reduzida para 25 °C e foi adicionado IPTG na concentração de 0,05 mM para induzir a produção de eGFP. A produção de eGFP foi acompanhada através de leituras de fluorescência conforme o item Quantificação de fluorescência. Como controle negativo, foi realizado um cultivo sob as mesmas condições porém sem a adição de IPTG, utilizado como branco para as leituras de fluorescência. O cultivo foi realizado em triplicata. Rompimento celular Os cultivos foram centrifugados a 10000 g a 4 ºC durante 10 minutos para a recuperação das células. O sobrenadante foi descartado e as células serão ressuspendidas em tampão fosfato na composição de 20 mM de NaH2PO4, 20 mM de Na2HPO4 e 0,5 mM de NaCl, no pH 7.4, na proporção de 1 mL de tampão para cada 0,1 g de células. O rompimento foi feito através de 5 ciclos de congelamento/descongelamento rápido. O primeiro ciclo foi realizado congelando as amostras em ultrafreezer (-80°C) overnight, descongeladas em banho-maria a 37 °C até o descongelamento total da amostra e agitadas em vortex. Os quatro ciclos restantes, o congelamento foi realizado durante 20 min. Para remover o debri celular, as amostras foram centrifugadas a 10.000 g, a 4 ºC por 10 minutos8. O sobrenadante foi recuperado para a etapa de extração. Extração utilizando sistema aquoso bifásico Foi realizadauma extração utilizando sistema aquoso bifásico, realizada em duas etapas: a primeira contendo uma solução aquosa de K3C6H5O7 (citrato de potássio) e 1-propanol, e a segunda com a solução salina da primeira (fase do fundo) e etanol. A extração foi realizada em duplicata para cada um dos três clarificados obtidos em um sistema com massa total de 10 g, para isso adicionou-se 1 g de solução estoque do clarificado, 5,7 g de solução salina de citrato de potássio e 3,3 g de 1-propanol, seguindo a proporção de 33 % (m/m) de 1-propanol, 18 % (m/m) de K3C6H5O7 para 10 % (m/m) de solução estoque (clarificado). No entanto, não houve a formação das fases e adicionou-se mais 1 g de sal ao sistema. O sistema foi homogeneizado e deixado em repouso overnight à temperatura ambiente, período após o qual houve a formação das fases. A fase de fundo foi separada e a esta adicionou-se 30% (m/m) de etanol para a segunda extração. Cálculos Foi calculado o coeficiente de partição nas duas extrações, tanto para as proteínas totais (considerando o método quantificativo de Bradford) quanto para a eGFP. A metodologia utilizada para esse cálculo foi conforme a relação (1). 𝐾𝑐 = [𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒]𝑡𝑜𝑝𝑜 [𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒]𝑓𝑢𝑛𝑑𝑜 (1) Kc representa o coeficiente de partição do componente c, sendo o componente GFP ou proteínas totais. Para o rendimento de extração foi utilizada a equação (2). 305 𝑅(%) = [𝐺𝐹𝑃]𝑓𝑎𝑠𝑒∗𝑉𝑓𝑎𝑠𝑒 [𝐺𝐹𝑃]𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙∗𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑋 100% (2) A pureza foi calculada utilizando a equação (3). 𝑃 = [𝐺𝐹𝑃] [𝑃𝑟𝑜𝑡𝑒í𝑛𝑎𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑖𝑠] (3) O fator de purificação foi calculado seguindo a equação (4). 𝐹𝑝 = 𝑃𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝐺𝐹𝑃 𝑛𝑎 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑃𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝐺𝐹𝑃 𝑛𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢çã𝑜 𝑒𝑠𝑡𝑜𝑞𝑢𝑒 (4) Por fim, o balanço de massa para avaliar a massa de eGFP que inicia o sistema e a massa de eGFP que se distribui nas respectivas fases das extrações foi calculado utilizando a equação (4). [𝑔𝑓𝑝]𝑐𝑙𝑎𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 ∗ 𝑉𝑖 = [𝑔𝑓𝑝]𝑡𝑜𝑝𝑜 ∗ 𝑉𝑡𝑜𝑝𝑜 +[𝑔𝑓𝑝]𝑓𝑢𝑛𝑑𝑜 ∗ 𝑉𝑓𝑢𝑛𝑑𝑜 (4) Quantificação do crescimento celular O crescimento celular foi avaliado retirando- se alíquotas de 1 mL dos cultivos e realizando-se leituras da densidade óptica no comprimento de onda de 600 nm (OD600nm) no espectrofotômetro UV-Vis Bel Photonics UV-M51. Quantificação de proteínas A quantificação de proteínas totais foi realizada pelo método de Bradford, para isso utilizou- se 50 μL de amostra e 1,5 mL do reagente de Bradford. A reação foi incubada a temperatura ambiente por 5 min ao abrigo de luz e então realizou- se a leitura de absorbância a 595 nm no espectrofotômetro UV-Vis Bel Photonics UV-M51. Quantificação de fluorescência A fluorescência foi quantificada utilizando a leitora de placas PerkinElmer EnSpire operando nos comprimentos de onda de excitação e emissão máxima de eGFP, 488 nm e 507 nm, respectivamente4. Eletroforese SDS-PAGE Para analisar a pureza das amostras obtidas, foi realizada uma eletroforese em gel de poliacrilamida com sódio dodecil sulfato (SDS-PAGE). RESULTADOS E DISCUSSÃO Curva de crescimento A figura 1 mostra o perfil de crescimento da E. coli nas condições fornecidas, em 12 horas de cultivo. Figura 1. Curva de crescimento da E. coli cultivada a 37 ºC e 200 rpm. A partir da curva de crescimento apresentada, foi possível estabelecer o momento de 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0 5 10 15 O D 6 0 0 n m tempo (h) 306 inoculação do indutor IPTG. A curva estabelece uma linearidade entre 2 e aproximadamente 9 horas, com isso determinou-se que o tempo de indução para a metade da fase exponencial, calculado como 4,5 h após o inóculo. Produção de eGFP Após a adição de IPTG, foi avaliada a fluorescência para se comprovar a produção de GFP. Para tanto, foi realizada uma curva de calibração, que forneceu a equação y = 16936x + 2307 (ng µL-1) e R²=0,9924, necessária para que fosse determinada a concentração da proteína no meio. O monitoramento da produção ocorreu durante 5 horas de cultivo, retirando alíquotas a cada 1 hora, representado na figura 1. Após 5 h de cultivo foi possível obter uma concentração média de 0,138 ± 0,02 g L-1 de GFP. Quando comparado com dados da literatura é possível notar que a produção de GFP foi satisfatória e teve um alto rendimento. Chew et al. (2012), realizou um estudo comparativo de várias condições e para as mesmas condições utilizadas neste estudo, obteve-se uma concentração de 0,048 g L-1 de GFP e na melhor condição testada (31 °C, 206 rpm), 0,241 g L-1. Subramaniam (2014) conseguiu concentrações de 0,06, 0,04 e 0,061 g L-1 em cultivos a 30 °C. O grupo 2 (30 °C, 200 rpm) deste experimento obteve uma produção de GFP de 0,181 g L-1. Comparada com a produção deste grupo, resultam que ambos apresentam valores muito próximos de produção de eGFP, sugerindo que a estratégia de cultivo adotada neste experimento resulta em valores muito próximos aos valores obtidos quando o cultivo é realizado na temperatura reportada como ótima para produção de (eGFP). É possível dizer que a estratégia de cultivar as células em condições ótimas de crescimento (37 °C, 200 rpm) e após a indução, diminuir a temperatura para 25 °C é uma estratégia interessante para a produção de GFP, isso porque no momento da indução existe uma grande quantidade de células já disponíveis para a produção de GFP enquanto que a diminuição da temperatura, embora retarde o crescimento das células, favorece a produção e o enovelamento correto da proteína, desta forma, mesmo que o crescimento seja mais lento, o grande número de células já disponíveis será capaz de produzir uma grande quantidade de proteína. No entanto, tempo de produção maiores poderiam levar a níveis de produção ainda maiores, isto porque é possível notar que nas três primeiras horas a produção é lenta e após esse período, inicia-se uma fase de produção (figura 2), provavelmente devido a uma fase de adaptação enfrentada pelo microrganismo devido à mudança de temperatura. Rompimento celular A tabela 1 apresenta a concentração de GFP e proteínas totais obtidas após o rompimento celular e a clarificação do meio em um volume de aproximadamente 10 mL. Tabela 1. Concentração de GFP e proteínas totais no clarificado. Amostra [GFP] mg mL-1 [proteínas] mg mL-1 1 2,935 2,372 2 2,629 2,001 3 3,080 2,187 Média 2,881 ± 0,231 2,186 ± 0,185 307 Figura 2. Curva de produção de eGFP durante 5 h após a indução. A: Produção de eGFP em Unidades de Fluorescência (UF) para os três cultivos. B: Produção média de eGFP pelo tempo em unidades de concentração de proteína. A partir da análise destes dados é possível notar que provavelmente ocorreram erros de superestimação ou subestimação nos métodos de quantificação. A quantidade de GFP produzida (0,138 ± 0,02 g L-1) em 100 mL de cultivo resulta em 13,8 mg enquanto que a quantidade quantificada em 10 mL de clarificado resulta em 28,81 mg, indicando uma superestimação na leitura de fluorescência. Ao mesmo tempo, a concentração de proteínas totais é menor que a concentração de GFP, o que pode ser mais um indício da superestimação da quantificação de GFP por fluorescência, mas também um indício de subestimação do método de Bradford. Além disso, a partir de uma análise visual (figura 2), é possível notar que o rompimento não apresentou um alto rendimento, evidenciado pela forte coloração verde no pellet de células formado após a clarificação. Isto é justificável provavelmente pelo pouco tempo em que as amostras foram submetidas ao congelamento, baixo número de ciclos e ineficiência do método em si, visto que estudos apontamque o congelamento lento é uma alternativa melhor para este tipo de rompimento17. No entanto, conforme evidenciado através da fluorescência emitida pelas amostras (figura 3), uma grande quantidade de GFP foi extraída com sucesso. Figura 3. A: Pellet de células formado após a clarificação de um dos cultivos. B: Sobrenadante obtido após o rompimento celular (clarificado) exposto à luz negra, evidenciando a presença de GFP. Extração utilizando sistema aquoso bifásico Para as etapas de extração do clarificado celular, também foram retiradas alíquotas de ambas as fases formadas, tanto na primeira extração com 1- propanol, quanto na segunda extração com etanol, com o intuito da quantificação dos resultados obtidos 0,0E+00 5,0E+05 1,0E+06 1,5E+06 2,0E+06 2,5E+06 0 1 2 3 4 5 6 F lu o re sc ê n ci a ( U F ) tempo (h) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 2 4 6 [G F P ] n g / u L tempo (h) A B A B 308 da concentração da eGFP pela fluorescência e das proteínas totais, utilizando o método de bradford. Os resultados são apresentados na tabela 3, para a primeira extração e na tabela 4, para a segunda extração. A figura 4 ilustra a formação de fases do sistema após a 1ª extração. É possível notar que a GFP é particionada para a fase de fundo (solução salina) e que há a formação de uma interfase (seta) de proteína precipitada. Tabela 3. Concentração de eGFP e de proteínas totais nas respectivas fases da primeira extração. 1ª. Extração Topo Fundo Amostra [GFP] (µg uL-1) [PT] (µg uL-1) [GFP] (µg uL-1) [PT] (µg uL-1) 1 0,1053 43,5901 270,2700 227,2402 2 0,0375 30,7275 220,6391 199,3712 3 0,0283 35,7296 225,4277 220,8089 Tabela 4. Concentração de eGFP e de proteínas totais nas respectivas fases da segunda extração. 2ª. Extração Topo Fundo Amostra [GFP] (µg uL-1) [PT] (µg uL-1) [GFP] (µg uL-1) [PT] (µg uL-1) 1 62,1424 129,3411 6,8105 82,8927 2 61,8855 112,1909 5,4377 79,3197 3 79,0944 121,4806 10,2854 102,187 Figura 4. Sistema bifásico formado após a primeira extração. Fase de topo: 1-propanol. Fase de fundo: solução salina + GFP. Interfase formada está indicada pela seta. Cálculos da purificação de eGFP A partir dos dados de extração, pode ser realizada uma análise mais crítica, contendo o rendimento das extrações e o balanço de massa da purificação da eGFP. Não foi possível calcular a pureza e fator de purificação devido a erros nos métodos de quantificação que forneceram concentrações de proteínas totais maiores que os valores de concentração de GFP no clarificado. A tabela 5 apresenta o rendimento de extração obtido com base na concentração média. Tabela 5. Rendimento extrativo (η) para a eGFP obtidos nas duas etapas de extração. Amostra η (%) 1ª. Extração 2ª. Extração 1 54% 25% 2 50% 30% 3 43% 38% Foi evidenciada a presença da eGFP na fase de fundo da primeira extração realizada, a qual é comprovada pela concentração da proteína na fase de fundo (tabela 3), isso certifica o efeito de salting-out que os sais adicionados promoveram. Já na segunda extração, a maior concentração da eGFP na fase de topo demonstra a maior solubilidade da mesma pela fase com o etanol (tabela 4). O rendimento apresentado na tabela 5, refere-se à fase de recuperação da eGFP, no caso da primeira extração, na fase de fundo e, na segunda, na fase de topo. Comparado à literatura8 o rendimento obtido pela primeira extração (média entre as triplicatas de 49%) foi bem abaixo do esperado (91,24%). Além disso, para avaliar as perdas de GFP, o balanço de massa foi realizado, apresentado na tabela 6. 309 Tabela 6. Balanço de massa da eGFP calculado para cada etapa extrativa Amostra Balanço de Massa (%) 1ª. Extração 2ª. Extração 1 54,4 25,3 2 49,6 30,7 3 43,2 38,8 É possível notar que houve uma perda significativa de massa de GFP durante a extração e, portanto, baixos rendimentos. Isso pode ser resultado de diversos fatores: quantidade de sal adicionada, tempo de incubação e pH do sistema. Durante a primeira extração não houve a formação de duas fases e adicionou-se, arbitrariamente, mais 1 g de sal ao sistema. Essa quantidade em excesso de sal juntamente com o tempo de incubação do sistema (overnight) pode ter contribuído para a precipitação de GFP, evidenciada pela presença de uma interfase contendo proteína precipitada. Além disso, após a realização das extrações, os sistemas foram armazenados a 4 °C durante 3 dias antes de realizar- se a quantificação de fluorescência e proteínas totais, fator que também pode ter contribuído para as perdas e baixo rendimento. Outro ponto importante de acordo com Lo et al., é o pH do sistema de extração. O pH ótimo reportado para esse sistema é 10,48, no entanto, durante a realização dos experimentos não houve medição e controle do pH. Somente ao final o pH foi medido em 8,1, neste valor o rendimento esperado para a extração de acordo com Lo et al. é de aproximadamente 80%. Portanto, unindo os efeitos da falta de controle de pH, concentração de sal e tempo é possível justificar os baixos valores obtidos de rendimento. Os coeficientes de partição de GFP (Kgfp) e para as proteínas totais (Kpt) são apresentados nas tabelas 7 e 8, juntamente com a seletividade para ambas. Tabela 7. Valores do Kgfp, Kpt e da seletividade (S) na primeira extração do ATPS. 1ª. Extração Kgfp Kpt S Amostras 1 3,898*10-3 0,1918 0,0021 2 1,699*10-3 0,1541 0,0011 3 1,25310-3 0,1618 0,0007 Tabela 8. Valores do Kgfp, Kpt e da seletividade (S) na segunda extração do ATPS. 2ª. Extração Kgfp Kpt S Amostras 1 9,1245 1,5603 5,8477 2 11,3808 1,4144 8,0463 3 7,6900 1,1888 6,4686 SDS-PAGE Sabendo-se que a eGFP possui um peso molecular de 27 KDa foi realizada uma eletroforese para avaliar a pureza de GFP e a existência de contaminantes proteicos. O resultado é apresentado na figura 5. Observando a figura 5, nota-se uma fraca banda na amostra 2 que pode ser relativa à GFP (seta), no entanto, não foi possível detectar a proteína nas demais amostras. Tal fato pode ser justificado pela baixa concentração de GFP obtida durante as etapas de purificação e pela diluição da amostra que foi colocada no gel, evidenciando que uma quantidade muito pequena de proteína foi carregada no gel. 310 Figura 5. Gel de SDS-PAGE. 1: marcador de peso molecular; 2: amostra retirada após o rompimento celular; 3: amostra retirada após a clarificação; 4: amostra retirada da fase de fundo da 1ª extração; 5: amostra retirada da fase de topo da 2ª extração. Comparativo com os dados obtidos pelo grupo 2. CONCLUSÃO Foi possível produzir com sucesso e em quantidade satisfatória a proteína verde fluorescente (GFP). A metodologia empregada neste projeto apresentou alta produção, embora esta possa ser otimizada aumentando o tempo de produção, isso porque ao final das 5 h foi possível notar que a produção ainda apresentava um perfil exponencial de crescimento e não foi atingido um platô. Além disso, o rompimento e a extração podem ser otimizados modificando-se os parâmetros discutidos para um maior rendimento na obtenção de uma GFP pura. REFERÊNCIAS 1. Bradford, M. M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal Biochem, v. 72, p. 248-54, May 1976. 2. Chew, F. N. et al. Statistical optimization of green fluorescent protein production from Escherichia coli BL21(DE3). Preparative biochemistry and biotechnology, [S.L.], v. 42, n. 6, p. 535-550, abr. 2012 3. Chiarini, E.; Penna, Vessoni, T.. 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