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CLONAGEM, EXPRESSÃO E PURIFICAÇÃO DE PROTEÍNAS HETERÓLOGAS EM SISTEMAS PROCARIÓTICOS Junea Leandro do Nascimento Eng. Agronoma PhD. Produção Vegetal 1. INTRODUÇÃO A Biologia Molecular é o estudo da Biologia em nível molecular, com especial foco no estudo da estrutura e função do material genético e seus produtos de expressão, as proteínas, ou seja, investiga as interações entre os diversos sistemas celulares, incluindo a relação entre DNA, RNA e síntese proteica. A biologia molecular faz uso de várias técnicas em seus experimentos, sendo as mais conhecidas o Miniprep, o PCR, a digestão de DNA plasmidial com enzima de restrição e a eletroforese em gel de agarose. A clonagem biológica consiste na inserção de um gene em um vetor, ou seja, a inserção de um DNA capaz de se multiplicar dentro de um sistema vivo, como é o caso do plasmídeo bacteriano. A transformação genética pode ser definida como a incorporação estável e hereditária de DNA exógeno por células de um hospedeiro. A célula mais comumente utilizada é a célula bacteriana de Escherichia coli. Em certas bactérias, a transformação ocorre naturalmente o que contribui para o aumento da variabilidade genética das populações. Outras bactérias, tais como a E. coli, têm que tornar-se competentes para transformação, antes de serem transformadas. Certas estirpes de E. coli podem-se tornar competentes para transformação com DNA plasmídico através de tratamento com cátions, tais como Ca 2+ , Mn 2+ ou Co 3+ , comumente chamado transformação por choque térmico, sendo um método fácil e relativamente barato de transformação, onde uma solução 0,1M de CaCl2 é, frequentemente, utilizada para este fim. Os íons atuam neutralizando as cargas negativas da membrana e do DNA. Após o choque térmico a temperatura entre 37º a 42ºC, criam-se poros na membrana e o DNA pode alcançar o interior da célula (MARANHÃO, 2003b; NASCIMENTO et al., 1999). Plasmídeos pequenos incorporam-se mais facilmente à célula bacteriana competente. A transformação bacteriana é utilizada para a preparação de DNA plasmidial, em larga escala, e para a seleção de clones recombinantes (BROWN, 2003; MARANHÃO, 2003A). Plasmídeos ou vetores são moléculas de DNA fita duplas extracromossomal encontrados em todas as espécies de bactérias. Os plasmídeos variam em estrutura, tamanho, modo de replicação, número de cópias por célula e habilidade para propagarem-se em diferentes bactérias. Todos contêm três características comuns: marca seletiva, origem de replicação e sítio múltiplo de clonagem (NASCIMENTO, 1999). A marca seletiva refere-se a genes que conferem resistência a antibióticos e que proporcionam a seleção dos clones transformados daqueles não transformados. Para essa seleção, é adicionado ao meio de cultura o antibiótico adequado, em concentrações que permitam diferenciar a célula não transformada (sensível ao antibiótico) da célula transformada (resistente ao antibiótico). A origem de replicação autônoma ou ori é o sítio em que se inicia a replicação do DNA, podendo se replicar independentemente da replicação bacteriana e produzir milhares de cópias do plasmídeo dentro da célula hospedeira. A replicação dos plasmídeos pode ser sincronizada com o ciclo celular, resultando em baixo número de cópias, ou ser independente do ciclo da célula hospedeira, permitindo a proliferação de centenas de cópias por célula (BROWN, 2003; WEAVER, 2001). Os plasmídeos usados como vetores precisam ser purificados e separados do resto do genoma. Existem vários métodos de isolar o DNA plasmidial da bactéria, sendo que as minipreparações (miniprep) podem ser utilizadas para um rastreamento rápido do plasmídeo que contém o inserto com o gene de interesse. Obtêm-se uma quantidade pequena e impura do DNA plasmidial, mas que é suficiente para análise do fragmento através de digestão enzimática. As maxipreparações são realizadas a partir de volumes grandes da suspensão bacteriana. Essencialmente, esta etapa é uma escala maior da minipreparação, seguida de purificação adicional do DNA. O resultado disto é uma quantidade grande do DNA plasmidial purificado (vários microgramas). Ao se fazer uma Miniprep de um plasmídeo obtém-se suficiente número de cópias desse gene para manipulação química. Após a purificação de um plasmídeo, é sempre recomendável analisar a identidade e características do plasmídeo através da digestão com enzimas de restrição, para confirmar o tamanho dos fragmentos esperados, ou em simples eletroforese de gel de Agarose. A técnica de PCR (Polymerase Chain Reaction), introduzido inicialmente por Saiki et al. (1985) e Mullis & Faloona (1987), foi utilizado para tentar obter uma ampliação seletiva de genes de interesse. Este método utiliza uma enzima DNA polimerase termoestável para copiar in vitro uma determinada região da molécula de DNA, região esta que é condicionada pelo uso de pequenos “primers” que hibridam com locais individualizados das cadeias de DNA delimitando assim o fragmento a amplificar. Esta técnica permite amplificar uma molécula, bilhões de vezes em poucas horas (Eidne, 1991), sendo particularmente útil quando se analisa tipos de mRNA pouco abundantes ou quando a quantidade de tecido disponível é limitada (Dallman & Porter, 1993). O PCR consiste em um processo cíclico onde os seguintes passos, são repetidos durante um número determinado de vezes: 1) A cadeia dupla de DNA é desnaturada por aquecimento obtendo-se duas cadeias simples; 2) Os primers introduzidos na reação ligam-se com zonas homologas em cada uma destas cadeias; 3) A DNA polimerase catalisa a produção de novas cadeias complementares. Cada um destes ciclos, que demora apenas alguns minutos, duplica a quantidade da DNA pretendida, deixando-a com uma cadeia dupla. Preparações de DNA plasmidial ou cromossomal purificadas podem ser submetidas à digestão com enzimas de restrição para identificação e caracterização do DNA objeto do estudo. O isolamento de DNA cromossomal ou plasmidial é um procedimento básico e fundamental para a clonagem molecular. A purificação consiste na separação do DNA a partir dos restos celulares e das proteínas, principalmente as DNases que degradam as moléculas de DNA, tanto em células bacterianas como em células eucarióticas. Diferentes reagentes e substâncias são utilizadas neste procedimento em função do tipo celular. No caso das bactérias gram negativas (E. coli), a combinação de detergentes e substâncias alcalinas removem as camadas lipídicas da membrana externa e da parede celular expondo o DNA para a purificação. As proteínas podem ser removidas eficientemente com a utilização de uma mistura dos solventes orgânicos, fenol e clorofórmio. Esses solventes rompem rapidamente a integridade celular desnaturando as proteínas, deixando os ácidos nucléicos em solução aquosa (BROWN, 2003; MARANHÃO; MORAES, 2003). O procedimento de preparação de DNA, a partir de uma cultura de células bacterianas, pode ser resumido da seguinte maneira: 1) As células são cultivadas em meio de cultura, depois recuperadas por centrifugação, a partir da cultura, e concentradas no menor volume possível; 2) As células são rompidas e seu conteúdo liberado, formando um extrato celular; 3) Esse extrato celular é tratado e todos os seus componentes são removidos, exceto o DNA; 4) O DNA resultante é concentrado por precipitação e mantido em solução aquosa. Já a eletroforese em gel de agarose é um método simples e eficiente que permite separação, identificação e purificação de moléculas de DNA. Os ácidos nucleicos (DNA e RNA) possuem carga elétrica que pode ser utilizada para separar fragmentos de tamanhos diferentes quando colocados em um gel horizontal na presença de um campo elétrico. A agarose possui poros por onde as moléculas de DNA migram quando é adicionada uma corrente elétrica. A taxa de migração das moléculas é afetada pelo tamanhoe forma das moléculas, densidade do gel e força da corrente elétrica. As moléculas maiores de DNA migram mais vagarosamente do que as moléculas menores. Quando o DNA é clivado com enzimas de restrição, fragmentos de diferentes tamanhos migram em diferentes padrões. O protocolo padrão de gel de agarose permite separar fragmentos de DNA entre 0,5 a 25 kb. A eletroforese também pode ser utilizada para separar proteínas e moléculas de RNA. A agarose utilizada no gel é um polissacarídeo que forma uma rede e permite regular a velocidade da migração das moléculas durante a separação. A adição de corante fluorescente (brometo de etídio ou sybr®), que se intercala entre as bases do DNA, e o uso de radiação ultravioleta permitem a visualização e a fotografia (NASCIMENTO et al., 1999; SOUZA, 2003). Em um dos poços do gel, onde as amostras a serem avaliadas por eletroforese são colocadas, é adicionado um marcador de peso molecular contendo fragmentos de DNA de tamanho conhecido. Este tem como objetivo estimar o tamanho dos fragmentos gerados após a corrida. O tamanho de cada fragmento é medido em pares de bases (pb). 2. OBJETIVOS Propiciar o aprendizado prático de técnicas de clonagem, expressão e purificação de proteínas heterólogas em sistemas procarióticos. 3. METODOLOGIA Utilizou-se Escherichia coli como a fonte de DNA para a realização das aulas práticas. 3.1 A análise seqüencial e clonagem do gene de interesse Antes da clonagem do gene de interesse é preciso realizar um estudo do mapa de restrição do gene de interesse, para, em seguida, selecionar os sítios que flanquearão o mesmo. Foi realizada uma aula prática sobre esse assunto, onde pudemos observar os passos até a construção do mapa de restrição. Com um exemplo de sequência de mRNA, foi realizada a identificação da Open Reading Frame (ORF) (Figuras 1 e 2) utilizando o software ORF Finder do National Center for Biotechnology Information (NCBI). A pesquisa da seqüência homologa foi procedida com BLAST proteína (NCBI) (Figura 3). O mapa de restrição (Figura 4) foi construído utilizando o software NEBcutter 2 (BioLabs Inc.). Figura 1. Identificação da ORF (NCBI). Figura 2. Sequência de nucleotídeos. Área marcada indica início e fim da ORF. Figura 3. BLAST proteína. Figura 4. Mapa de restrição de uma sequência nucleotídica. 3.2 Expressão heteróloga da proteína TcPR-4 3.2.1 Reação em cadeia de polimerase (PCR) A reação em cadeia da polimerase (PCR) é um procedimento rápido que possibilita a amplificação in vitro de fragmentos de DNA específicos, partindo-se de uma quantidade mínima de DNA alvo ou de RNA previamente convertido em cDNA. Para a realização da reação de PCR foram utilizados: molde (DNA); tampão (10x concentrado); cofator (MgCl2 50 mM); primer (sintetizados a partir da sequência de nucleotídeos) e dNTPs (nucleotídeos do DNA formados por uma base nitrogenada (Adenina, Citosina, Guanina e, ou Timina), um açúcar (desoxirribose) e 3 grupos fosfato; fornece energia e nucleotídeos necessários para a síntese de DNA, a um par de iniciadores). Estoque Trabalho Molde DNA 30 ng 1,00 μM Tampão 10x 2,50 μM MgCl2 50 mM 0,75 μM Primer 100 μM Forward 1,00 μM Reverse 1,00 μM dNTPs 10 μM 1,00 μM Taq 0,20 μM H2O 17,55 μM Total 25,00 μM O protocolo seguiu-se da seguinte ordem: H2O; tampão; dNTPs; primer F; primer R; MgCl2; Taq DNA polimerase; molde. A enzima Taq DNA polimerase, que catalisa a reação, deve ser adicionada antes do molde, para que a mesma não seja contaminada. A técnica de reação de PCR consistiu em três passos: 1° - Desnaturação do DNA: fase em que ocorre a abertura das fitas de DNA em temperaturas entre 94-96° C. 2° - Anelamento dos primers: onde os primers se hibridizam de forma precisa na sequência original do DNA a temperatura de 50º C. A temperatura varia de acordo com a composição dos primers. 3° - Amplificação da sequência genicas de TcPR4: a DNA polimerase acrescenta os dNTPs à fita, de acordo com o pareamento de bases, completando assim as fitas simples e tornando-as duplas (extensão) a temperatura de 72º C. 3.2.2 Preparo de células competentes de Bactérias E. coli (BL21 pLysS) Colônias isoladas de BL21 pLysS foram inoculadas em 2 mL de meio LB seletivo líquido sem antibióticos, contendo 34 mg/mL de clorafenicol e, em seguida, incubadas overnight a 37° C por 180 rpm. Após o crescimento bacteriano, foram adicionados 500 μL do pré-inóculo da referida bactéria em 50 mL do meio LB líquido, nas mesmas condições. O material foi incubado a 37° C e 200 rpm, até alcançar uma OD600 0,5. Logo após, as culturas foram mantidas, por 20 min, no gelo e em seguida centrifugadas a 10000 rpm por 10 min. Após lavagem, as células foram ressuspensas em 5 mL de MgCl2 e 5mL de CaCl2 para neutralização das cargas da membrana. Houve incubação de 20 min para aderência das cargas à membrana das amostras, sendo que, em sequência, as células foram ressuspensas em 10 mL de Ca2+ e glicerol para conservar a membrana. Foram retiradas alíquotas de 200 μL da estirpe e mantidas a temperatura de -80° C. 3.2.3 Extração do DNA plasmidial O Plasmídeo utilizado para expressão de proteínas foi o pET-28a (Figura 5) resistente a kanamicina. Na referida prática, fez-se a utilização do AccuPrep ® Plasmid Mini Extraction Kit (BIONEER Inc.). Os procedimentos, seguindo as normas do fabricante, foram os seguintes: - Pré-inóculo com o objetivo de crescimento da bactéria contendo o plasmídeo alvo em meio líquido, este crescimento ocorreu em 5,00mL de meio LB, contendo 50 μg.mL -1 de canamicina, incubado a 37º C, overnight a 180rpm. - Retirou-se uma alíquota de 2 mL do meio de crescimento e colocou-o para centrifugar por 2 minutos a 13000 rpm. Após a centrifugação, o sobrenadante foi descartado, restando apenas o pellet no eppendorf. - Adicionou, no recipiente (eppendorf) contendo o pellet, 250 μL do tampão 1 para ressuspensão do pellet. O recipiente foi colocado em um vórtex, facilitando a ressuspensão do pellet. - Em seguida, foi adicionado 250 μL do tampão 2 (detergente) para que ocorresse a lise da bactéria, com agitação manual e suave por 4x. - Logo após, adicionou-se 350 μL do tampão 3, com inversão suave do tubo por 4x. O material foi centrifugado por 10 min a 4° C e 13000 rpm. O material sobrenadante foi descartado. A adição do tampão 3 desse kit foi para a neutralização das enzimas da bactéria e também da ação do detergente. - O lisado clareado foi transferido para o tubo de ligação da coluna de DNA e centrifugado a 13000 rpm durante 1 min. - Em seguida, foi adicionado 700 μL de tampão 4 para o tubo de ligação de coluna ao DNA e centrifugado a 13000 rpm durante 1 min. Isto remove os sais solúveis e detritos. O sobrenadante foi descartado. - Foi adicionado 50 μL do tampão 5 (esse valor pode variar até 100 μL, dependendo da quantidade de material); esperou 1 min e em seguida foi levado à centrifuga por mais 1 min. O eppendorf foi retirado da centrifuga e imediatamente imerso em gelo. O tampão 5 pode ser substituído por água. Figura 3. Mapa do vetor de expressão pET-28a. 3.2.4 Preparo do gel de Agarose e corrida do gel em eletroforese para visualização do DNA plasmidial. Os materiais utilizados para esta etapa foram: - TAE: composto por TRIS, Ac. acético e EDTA; - Agarose, na concentração de 1,5%; - pET 28 – 5000 pares de base (5000 Daltons); - Gene PR-4 – 500 pares de bases. Nessa etapa foi adicionado 0,75 g de agarose (volume final de TAE = 50 mL). Precisa-se de um gel que permita que a malha de DNA passe para o plasmídeo (concentração de 1,5%). Para diluir a agarose no TAE, leva ao microondas por 1 a 1,5 min, até diluir. Esfria um pouco a solução antes de correr o gel, de modo a nãotrincar o material utilizado. Para a corrida do gel em eletroforese, foram adicionados 1 μL do intercalante (gel Red) que vai se ligar ao DNA e emitir fluorescência ao ser excitado com luz UV; 2 μL de corante (cianol, bromofenol e glicerol). 3.2.5 Digestão plasmídial e do produto de PCR O vetor pET-28a foi digerido por duas enzimas de restrição, a Nde1 e a BamH1 e, posteriormente, houve a ligação do inserto. A solução de digestão do vetor e do produto de PCR foi como se segue: Tampão: Tango 2x Volume final: 20 μL MiniPrep PCR Tampão 10x (Tango) 4 μL 4 μL Enzima 1 (Nde 1) 1 μL 1 μL Enzima 2 (BamH 1) 1 μL 1 μL DNA plasmidial 5 μL DNA PCR 14 μL H2O 9 μL ------- Total 20 μL 20 μL A confirmação das digestões foi observada em gel de agarose 1%. 3.2.6 Purificação do PCR e do DNA plasmidial digerido Foi utilizado o AccuPrep PCR Purification Kit (BIONEER, Inc.), de acordo com as recomendações do fabricante. Pegou-se o volume de digestão, completou com água até o volume de 200 μL; em seguida adicionou 200 μL do tampão 1, misturou gentilmente, colocou o volume na coluna e centrifugou por 1 minuto a 13000rpm. O resíduo foi descartado e a coluna lavada com tampão 2 por duas vezes. O DNA plasmidial e o produto de PCR foram recuperados das colunas por eluição com água. 3.2.7 Reação de ligação A ligação do vetor pET-28a com o inserto TcPR-4 foi realizada utilizando os seguintes materiais: 2 μL de tampão 5x; 1 μL do respectivo plasmídeo; 6,5 μL do inserto; 0,5 μL da T4 DNA ligase (5U/μL). Em seguida, as reações foram incubadas a 22° C por 2 h. 3.2.8 Transformação da bactéria E. coli por choque térmico e confirmação das colônias transformadas por PCR Na transformação bacteriana, foram previamente preparados 10μL da amostra de DNA plasmidial e adicionado a 200μL da suspensão de células competentes (BL21) e deixadas no gelo por 30 minutos. Em seguida, procedeu-se o choque térmico (42° C por 1’30’’ min) e logo após transferiu-se as células para o gelo por 2 minutos. Foi adicionado às células 1 mL de meio LB e incubadas sob agitação a 37º C por 60 minutos. Após esse processo, foram plaqueadas em meio LB (meio de cultura Luria Bertani 20g/L) com ágar (15 g/L), contendo o antibiótico correspondente à resistência do plasmídeo de interesse (Cloranfenicol e Kanamicina) a fim de selecionar os transformantes, alíquotas de 100μL da suspensão. Para cada transformação foram selecionadas 4 colônias isoladas. Uma PCR de colônia foi realizada para a confirmação dos clones positivos, os quais foram aplicados em gel de agarose 1% para a visualização da amplificação dos genes clonados. 3.2.9 Indução de proteína (TcPR-10) A indução da proteína TcPR-10 foi feita através da inoculação de uma colônia isolada de células de E. coli da estirpe BL21 transformadas com o vetor de expressão pET-28a - TcPR-10, crescida em meio LB sólido contendo 34 mg/mL de Cloranfenicol e 50 mg/mL de Kanamicina, em 3 ml de meio LB líquido com os respectivos antibióticos por aproximadamente 16 horas a 37°C a 180 RPM. Após esse período centrifuga o inoculo e ressusendeu o pellet com 1 mL de meio LB. Na sequência, essa cultura foi rejuvenescida adicionando esse 1 mL em 50 ml de meio LB líquido contendo 34 mg/ml de Clorafenicol e 50 mg/ml de Kanamicina por 3 horas sobre agitação de 180 rpm a 37º C, e então, ressuspendeu em 1 mL de meio LB e trasferiu para 500 ml de meio LB líquido, com os respectivos antibióticos, crescida a 180 rpm, sob constante aeração a 37° C. A (densidade ótica) OD600nm alcançou 0,5-0,7, e logo após, adicionou-se à cultura 1 mM de IPTG (Isopropyl-ß-Ŋ-thio-galactoside). Também foi obtida para análise, a cultura controle, sem adição de IPTG. Após 4 horas de indução a 200 rpm e 37° C, as células foram centrifugadas a 12.000 rpm durante 15 minutos a 4 o C. Os pellets obtidos foram armazenados em ultra freezer a -80 o C. Na análise da indução da proteína, as amostras (controle e induzido) foram diluídas em tampão de amostra 1X (Tris-HCl 12 mmol/L pH 6,8, glicerol 5%, SDS 0,4%, 2-mercaptoetanol 2 mmol/L e azul de bromofenol 0,02%) e desnaturadas a 95ºC durante 5 minutos. Em seguida as amostras foram aplicadas em gel SDS-PAGE 15%. A voltagem aplicada para corrida foi de 100 volts por 2 horas, e ao final, o gel foi corado com azul de comassie coloidal. 3.9.10 Purificação de proteína (TcPR10) Após indução, as células de BL 21 (E. coli) com pET-28a – TcPR-10 foram coletadas por centrifugação (11000 xg, 20 min, 4° C) e os pellets ressuspensos em tampão de lise (50 mM de tampão fosfato, 300 mM de NaCl, 2% de Nonidet, 0,1 mg mL -1 de lisozima, pH 8,0). As células lisadas foram centrifugadas (10.000 rpm, 20 minutos, 4ºC) e a solução sobrenadante foi aplicada em uma coluna TALON ® em resina de afinidade com metal de acordo com as instruções do fabricante (Clontech). A coluna foi lavada com 20 volumes (20mL) de tampão A (Fosfato de sódio 50 mM, pH= 7.4, acrescido de 300 mM de NaCl, 10 mM de Imidazol), e a eluição da proteína com o tampão B (Fosfato de sódio 50 mM, pH= 7.4 acrescido de 300 mM de NaCl e 150mM de Imidazol). Alíquotas de 500 µL foram coletadas em tubos eppendorf e analisadas por eletroforese SDS-PAGE. As frações mais puras foram armazenadas a 4ºC. 4. RESULTADOS Figura 1 - Eletroforese em gel de agarose 1,5% de reação de PCR. M: Marcador; 1e 2: Miniprep (plasmídeo 5000pb); 3: produto do PCR (gene 500pb). Figura 2 - Eletroforese em gel de agarose 1,5% após digestão e purificação. M: Marcador; 1: Miniprep; 2: produto de PCR. M M 1 3 2 500 pb 1 2 5000pb Figura 3 - Eletroforese em gel de agarose 1,5% de PCR de colônias de E.Coli transformadas com a construção pET28a/PrT4. M: Marcador; 1-3: PCR de colônias (comparado ao marcador, confirma a presença das colônias transformadas). C-: Controle negativo (branco). 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AUSUBEL, F.M.; BRENT, R.; KINGSTON, R.E.; MOORE, D.D.; SEIDMAN, J.G.; SMITH, J.A.; STRUHL, K. Current protocols in molecular biology, New York: John Wiley , 2003. 4755 p. AZEVEDO, M.O.; FELIPE, M.S.S.; BRÍGIDO, M.M.; MARANHÃO, A.Q.; Conceitos Básicos de Técnicas em Biologia Molecular. IN:BROWN, T.A. Clonagem gênica e análise de DNA. Porto Alegre: Artmed, 2003. 376 p. NASCIMENTO, A.A.C.; ESPREAFICO, E.M.; LARSON, M.L.P.; MONESI, N.; ROSSI, N.M.M.; RODRIGUES, V. Tecnologia do DNA recombinante. Ribeirão Preto: Universidade de São Paulo, 1999. 85 p. Apostila. MARANHÃO, A.Q. Transformação bacteriana. In: AZEVEDO, M.O.; FELIPE, M.S.S.; BRÍGIDO, M.M.; MARANHÃO, A.Q.; SOUZA, M.T. de. Técnicas básicas em biologia molecular. Brasília, DF: Universidade de Brasília, 2003a. 211 p. MARANHÃO. A. Q.; MORAES, L. M. P. Extração e purificação de DNA. In: SOUZA, M. T. de. Técnicas básicas em biologia molecular. Brasília, DF: Universidade de Brasília, 2003b. 211 p. SOUZA, M. T. de. Análise de DNA por eletroforese em gel de agarose. In: AZEVEDO, M. O.; FELIPE, M. S. S.; BRÍGIDO, M. M.; MARANHÃO, A. Q.; SOUZA, M.T. de. Técnicas básicas em biologia molecular. Brasília, DF: Universidade de Brasília, 2003. 211 p. WEAVER, R. F. Molecular biology. Lawrence: University of Kansas, 2001. 880 p. M 1 2 3 C- 500pb
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