全 文 ：第24卷 第9期
2012年9月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 24, No. 9
Sep., 2012
文章编号：1004-0374(2012)09-1026-09
抗污损海洋天然产物的开发及其作用机理研究进展
钱培元
(香港科技大学生命科学学部，香港)
摘　要：首先对近年发表在学术期刊 Biofouling上的一篇关于抗污损化合物的综述做一简短总结；其次，
突出介绍了对无脊椎污损生物附着和变态分子水平的调控机制的研究近来的进展。旨在给那些从事生物污
损和抗污损技术研究的科研人员提供一定的帮助。
关键词：生物污损；海洋天然产物；抗污损；幼虫附着与变态；分子作用机制
中图分类号： TG174；X171　　文献标志码：A
A brief overview of recent progress in screening for antifouling marine natural
products and studying of their molecular mechanisms
QIAN Pei-Yuan
(Division of Life Science, Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, HKSAR, China)
Abstract: The short review firstly provide a brief summary on antifouling compounds from marine sources which
was detailed in our recent review article in Biofouling (Qian et al 2010). Then, the recent progress in studying
molecular mechanisms of larval attachment and metamorphosis of marine fouling invertebrates are mentioned. The
information provided here shall be useful for those who are interested in antifouling technology development and
biofouling research.
Key words: biofouling; marine natural products; antifouling; larval attachement and metamorphosis; molecular
mechanisms
收稿日期：2012-03-29
基金项目：中国大洋协会“十二五”计划项目(DY125-
16-7-02)
通信作者：E-mail: boqianpy@ust.hk
随着对海洋的开发和利用，人们对污损生物的
防除涂料的需求不断加大。当前，最常用防污涂料
大体分为三类：氧化亚铜、有机锡和其他化合物。
由于对海洋生物具有致畸毒性，有机锡抗污损涂料
已被国际海事组织 (IMO)从 2008年 9月 17日起全
球范围内禁止使用；氧化铜涂料也被中国国家环保
部列入“高污染、高环境风险”产品名录，于 2012
年被禁止使用。 由此可见，我们亟需寻找无毒、环
境无害、高效的替代涂料。从海洋生物体的基于化
学防御和自身净化的化学生态作用而表现出抗污损
活性的海洋天然产物中寻找抗污损涂料成为主要的
策略 [1-2]。
按照化合物的来源不同，目前已报道的抗污损
活性天然产物主要源于海洋无脊椎动物 (珊瑚与海
绵 )、海藻与海洋微生物，此外，还有部分抗污天
然产物源于陆地生物。依据化合物的来源分类，本
文概要介绍过去 20年抗生物污损活性天然产物研
究进展。由于篇幅有限，无法罗列全部抗污损海洋
天然产物；主要例举了各类不同海洋生物来源抗污
损化合物中活性显著的代表性天然产物，并简要介
绍其研究进展。
1　海洋抗污天然产物的分离
1.1　源于海洋无脊椎动物的抗污天然产物(图1)
海洋无脊椎动物在漫长的生物进化过程中进化
出特有化学防御机制，产生出具有显著抗污损活性
的次生代谢产物，因而成为抗污损活性天然产物的
重要来源 [1]。自从日本 Fusetani研究小组于 1995年
钱培元：抗污损海洋天然产物的开发及其作用机理研究进展第9期 1027
从海绵 Acanthella cavernosa首次分离获得具有抗藤
壶幼虫附着的异氰基萜类化合物 (1)始 [3]，世界范
围各课题组已从海绵、珊瑚等海洋无脊椎动物中分
离获得共 90多个抗污损天然产物。按化合物类别分
类，有异氰基萜类、甾体、二萜、溴代环肽以及吲
哚生物碱。甾体及皂苷类化合物多从软珊瑚分离获
得，例如日本 Fusetani研究组从日本软珊瑚 Den dro­
nephthya sp.分离获得具有显著抗藤壶金星幼虫附
着活性的 isogosterone A(2)[4]。抗污损活性的二萜化
合物多为从柳珊瑚分离获得的西松烷二萜及其同系
物，例如具有非常强的抗藤壶幼虫附着活性的
pukalide(4)[5]和 juncins R(3)[6]，EC50分别为 0.019和
0.004 mg/mL。从海绵与柳珊瑚中分离获得的抗污
损活性溴代生物碱类，主要包括溴代环肽以及溴代
吲哚生物碱类，譬如从海绵 Geodia baretti分离获
得的溴代环二肽 Barettin(6)具有抗藤壶金星幼虫活
性 [7]；从柳珊瑚 Paramuricea clavata中分离获得的
溴代吲哚类生物碱 (7)，对诱导生物污损形成的微
生物有抑制活性 [8]。由于异氰基萜类化合物具很强
的抗金星幼虫附着活性，Fusetani研究小组在构效
关系研究的基础上通过化学合成对异氰基萜类化合
物进行结构改造，获得一系列合成简单、活性更强
的衍生物， 如 isocyanide (2, 2-dimethyldodec-11-enen-
itrile) (7)[1,9]。野外海上现场实验表明，该化合物具
有很强的抗污损活性。此外，通过荧光标记探针的
方法，Fusetani研究组找到该化合物的靶点部位位
于藤壶金星幼虫的油粒细胞 [10]。
1.2　源于海洋藻类及水生植物的抗污损天然产物
(图2)
自从 1995年澳大利亚 Staffan Kjelleberg的研
究小组从红藻 Delisea pulchra分离获得了具有很强
抗金星幼虫附着活性的溴代呋喃酮化合物 (8-9)[11]，
国外多个研究组从海藻、海草以及红树植物等水生
植物中获得溴代呋喃酮、萜类、黄酮类等共 20多
个抗污损活性天然产物。其中对具有开发成抗污损
活性化合物的呋喃酮研究较深入。目前所知溴代呋
喃酮类化合物具有广谱的抗污损活性，包括抗金星
幼虫附着、抗藻类配子附着与生长、抑制生物膜形
成等抗微型生物污损与大型生物污损活性。Staffan
Kjelleberg研究小组通过化学合成对其进行了结构
改造，并设计出相应具有缓慢释放作用涂料进行野
外海上现场测试。对其抑制生物膜 (Biofilm)形成的
机理研究表明，呋喃酮类抗污损活性先导物通过竞
争性与 acylated homoserine lactone (AH)受体结合而
图1 源于海洋无脊椎动物的抗污损天然产物
图2 源于海洋藻类及水生植物的抗污损活性天然产物
生命科学 第24卷1028
抑制 AHL分子诱导的群感效应 (quorum sensing)基
因的表达而发挥群感效应抑制作用，从而抑制生物
膜的形成 [12]。从藻类等水生植物中分离获得的萜类
抗污损活性化合物主要有 10多个二萜，如 Mero-
diterpenoids (10)[13]。此外还有倍半萜化合物，如从红
藻 Laurencia showed分离获得的 elatol(11)[14]，有很强
的抑制藤壶金星幼虫附着的活性，EC50=10 ng/mL。
1.3　源于海洋微生物的抗污损天然产物(图3)
海洋微生物在海洋生物污损的形成与清除中发
挥非常重要的作用，特别是当其形成生物膜时，对
大型生物污损形成的介导与抑制有着至关重要的作
用。尽管对海洋微生物活性天然产物的研究有着近半
个世纪的历史，然而，对于海洋微生物抗污活性天然
产物的研究才刚刚起步，世界各地对这个领域的投入
相当缺乏。已经从海洋微生物中获得大概 20多个抗
生物污损天然产物，分别有脂肪酸类 (12)[15]、异丁
烯内酯类 (13)[16]、环二肽类 (15)[17]二羟基苯酸大环
内酯类 (16)[18]等。本课题组基于天然产物构效关系
的基础对异丁烯内酯类化合物进行结构改造，获得
安全 (LC50/EC50>100)、强效 (EC50<1.0 ppm)、广谱 (具
有抑制藤壶金星幼虫、多室草苔虫和华美盘管虫的
附着活性 )的抗污损生物活性新导化合物 (14)[16]。该
化合物具有经济性、安全性、高效多重优势，有望
发展成为抗生物污损的涂料。
1.4　源于陆生生物的抗污损天然产物(图4)
陆生抗生物污损天然产物的研究源于 20世纪
80年代，但是由于海洋生物所产生的海洋天然产物
具有其特殊的生态功能，人们倾向于寻找从海洋来
源的抗污损活性天然产物。尽管如此，由于陆生植
物特有的生物功能和酶功能，依然可以作为开发抗
生物污损天然产物的重要来源。按照化合物的类别
分别有环肽 [19]、黄酮与丹宁等酚类化合物 (17)[20]，
辣椒素类 (18)[21]，氯氰菊酯 cypermethrin(19)[22]，昆
虫激素 (20)[23]等。本课题组于 2009年对 17个黄酮
类化合物进行抗污损活性评价，筛选出具有显著抗
生物污损活性的先导化合物 genistein。近来通过对
从植物中分离获得的 17个辣椒素化合物的抗污损活
性筛选，筛选出具有显著抑制贻贝附着活性的辣椒
素 capsaicin[21]，国内已经对该类型的抗污涂料进行
商业开发前期研究。昆虫幼虫激素衍生物 Juvenoids
具有非常强的抗生物污损活性，但其毒性也很强，
LC50=6.0 ng /mL，通过 8个月的野外海上现场测试，没
有观察到藤壶附着，具有与 TBTX相当的抗污损活性。
2　海洋无脊椎动物幼虫的附着变态机理及部
分海洋抗污损天然产物的作用机理
探究海洋污损生物的幼体发育过程、附着变态
过程中的信号转导通路和转录水平调控能有效帮助
图3 源于海洋微生物的抗污损天然产物
图4 源于陆生生物的抗污损天然产物
钱培元：抗污损海洋天然产物的开发及其作用机理研究进展第9期 1029
研发抗污损化合物，所以，海洋污损生物在附着变态
过程中的分子水平调控机理成为近年的研究热点。
1987年，Baxter和 Morse[24]首次发现，一种
从海藻表面分离的类似 GABA的多肽可以诱导鲍
鱼幼虫附着变态。这种多肽被体内的 G蛋白偶联受
体识别后，通过 cAMP/PKA通路传递，诱导幼虫
附着；其后的变态过程依赖于细胞膜上的化学感应
以及铁离子通道的调控 [25]。这个模型也是首次在分
子调控水平上阐述海洋无脊椎动物幼虫的附着变态
机制，为以后研究海洋污损生物的附着变态过程
奠定了基础。其他的研究也证实 NO通路参与调
节海螺幼虫和海鞘幼虫的附着变态过程 [26-29]。此
外，对一些基因的研究表明，基因调控在幼虫的
附着变态过程中起到了重要的作用，例如MAPK、
ERK、JNK参与海鞘幼虫的附着变态 [30]；Hedgehog、
Wingless、FoxA、Gata、Hox参与调控环节动物的
幼虫附着变态 [31-33]。从藤壶成体中分离出一种新型
的糖蛋白 SIPC[34]，其结构类似于高等动物中的 α
巨球蛋白 [35]，该糖蛋白通过调节幼虫和幼虫之间，
以及幼虫与成体之间的信号通讯诱导藤壶幼虫的聚
集附着变态 [36]。此外，一些研究也报道了与藤壶幼
虫附着变态过程调控相关的信号转导分子，例如 G
蛋白偶联受体、cAMP、钙离子和神经递质 [37-40]。
由于海洋生物的多样性，幼虫的附着变态过程
也相对复杂，因此，尽管一些研究已经揭示了一些
通路和基因在某些物种的幼虫附着变态过程中参与
调控，但是在绝大部分的物种中，尤其在海洋污损
生物中，其幼虫的附着变态的分子水平调控机理仍
然值得深入研究。目前，大量筛选参与附着变态过
程的基因和通路的方法主要为两种：基因差异显示
技术和基于焦磷酸测序的转录组分析。
筛选差异表达的基因可以直观快速地找到可能
参与调控幼虫附着变态过程的基因。近年来，基因
差异显示技术发展很快并得到了广泛的应用。其中，
一些技术已经成功地应用于研究海洋污损生物幼虫
的发育及附着变态过程。譬如，DDRT-PCR技术是
最早应用于筛选表达差异基因的技术之一。它的原
理是根据绝大多数真核细胞 mRNA3端具有的多聚
腺苷酸尾 (polyA)结构，应用 3锚定引物与 5随机
引物的组合，从总RNA中反转出不同的 cDNA片段，
随后，将差异条带进行扩增和分析，得到差异表达
的目的基因 [41]。Eri等 [42]使用 DDRT-PCR技术分
析海鞘 Herdmania curvata幼虫变态过程中差异表
达的基因，检测到一个类表皮生长因子 Hemp，其
重组蛋白可以有效诱导 H. curvata幼虫的变态 [43]。
用 DDRT-PCR检测了管虫 Hydroides elegans幼虫附
着变态前后的差异表达基因，然后利用这些基因作
为目标基因研究了一种从海洋细菌中分离到的抗污
损脂肪酸对它们的作用 [44]。然而，由于该技术具有
高假阳性率，同时其他技术也在衍生发展中并逐渐
取代 DDRT-PCR技术。
微阵列芯片通常为固相支持物上排列有几千，
甚至几万个 DNA寡核苷酸探针，当检测样品与探
针结合后，用荧光或电流方式检测分析样品中的基
因表达图谱。Chambon等 [30]用此技术检测 ERK抑
制剂以及 JNK抑制剂处理之后的海鞘幼虫的差异
基因图谱，结果表明，ERK或 JNK调控的基因会
在幼虫变态初期刺激产生细胞凋亡。虽然这项技
术逐渐发展成较为成熟的检测差异基因的手段之
一 [45-46]，但是，因其假阳性率高以及缺少芯片设计
所需要的基因组信息的原因，这项技术还无法应用
于其他非模式的海洋污损生物中。
抑制消减杂交 (SSH)是基于抑制 PCR和消减杂
交建立起来的筛选未知的差异表达基因的技术 [47]。
此技术不但能有效使样品中 cDNA的丰度均一化，
并且扣除了两个基因群之间的同源序列，从而将那
些表达差异的基因筛选出来。这项技术也渐渐被人
们应用到海洋污损生物的研究中。譬如，Shizuri实
验室首次运用抑制消减杂交方法从藤壶中筛选出在
金星幼虫阶段特异表达的 6个基因 bcs1­6 [48]，并且
检测这 6个基因在经过诱导剂和抑制剂作用下的金
星幼虫的附着变态过程中的表达量，发现 bcs6在
金星幼虫的附着以及变态至幼体的过程中，有重要
的生物学功能 [49]。Davidson和 Swalla[50]应用抑制
消减杂交方法检测了海鞘幼虫附着变态前后的基因
表达差异，发现免疫相关通路在幼虫变态过程中被
激活。运用抑制消减杂交方法发现，p38 -MAPK调
控的通路对 Hydroides elegans 幼虫的附着变态有重
要的作用，并且发现生物膜产生的活性氧自由基可
以诱导幼虫的附着变态 [51]。
对于某生物现象的分子机制的研究往往需要
较完整的基因信息。然而，基因组的测定费时费力，
所以，通过转录组测定或是表达序列标签 (EST)测
定可以较易获得转录子的信息。 传统的 cDNA文
库是基于 Sanger测序以获得 EST的信息，但是仍然
面临工作量大和需要大量资金的问题，而且 cDNA
的文库大小也有局限，无法获得较为完整的转录组
信息。
生命科学 第24卷1030
1996年，Ronaghi等 [52]报道了一种新的测序
方法。与传统的基于末端终止法和毛细管电泳的
Sanger测序不同，这种测序方法基于“合成与测序
同步”(Sequencing by synthesis)的原理，使用先进
的荧光成像技术捕捉 DNA延长时产生的焦磷酸信
号，因此被称为“第二代测序”或“下一代测序” (next
generation sequencing)。此技术可以在几小时内完成
一轮测序反应，获得上百兆的数据量，与传统的
cDNA文库技术相比，省时省力且具有较高的转录
组的覆盖率。近年来，此测序技术已经逐步发展成
熟，并广泛地应用于全基因组测序、microRNA分
析、SNP分析等诸多领域。2008年，Vera等 [53]使
用 454 pyrosequencing技术对无基因组信息的非模
式生物网蛱蝶 Melitaea cinxia进行深度转录组测序，
并对测序结果进行短序列拼装 (de novo assembly)。
他们首次报道证实下一代测序技术以及短序列拼装
可以成功应用于无基因组信息的非模式物种上。我
们首次使用 454 pyrosequencing平台对苔藓虫 Bugula
neritina幼虫附着变态过程的转录组进行了分析 [54]，
并首次证实下一代测序技术可以与短枪法蛋白组
学分析结合，极大地加速对海洋污损生物的转录
组与蛋白质组的研究。在后续的报道中，Zhang等
[55]通过无标记定量蛋白质组学技术，结合下一代
测序结果，对 B. neritina变态过程中的蛋白质组变
化进行了定量分析，发现胶原蛋白、碳酸脱水酶、
Antistasin等多个蛋白参与幼虫变态附着过程。
Gregoris等于 2011年报道了下一代测序技术对藤壶
变态发育过程中 4个重要发育阶段的转录组测序工
作。随后，Chen等 [56]首次应用比较转录组的研究
方法，发现了藤壶幼虫发育过程以及附着变态过程
中多个重要基因，其中，首次报道了幼虫时期特有
的与附着过程关系密切的 cement protein。迄今为止，
下一代测序技术已经成为研究污损生物附着变态的
重要手段之一。
除了基因层面的研究，海洋无脊椎动物幼虫的
蛋白质组学在近几年也开始发展起来。蛋白质组的
概念在 1996年首次由Wilkins等 [57]提出，而蛋白
质组学则是指对基因组所表达的所有蛋白质的结构
及功能的大规模研究。具体而言，该蛋白质组学研
究内容包括蛋白质异构体及其翻译后修饰、蛋白质
之间的相互作用以及蛋白质及蛋白质复合体的高级
结构的解析等 [58]。由于蛋白质组学研究可以解答基
因组学及转录组学所无法解释的后基因组问题，该
领域的相关技术平台在近年得到了迅速发展，并被
广泛应用于生命科学及医学研究的各个领域 [58-60]。
蛋白质组学的两大重要基石为双向电泳技术对蛋白
质组的大规模分离及质谱技术对标靶蛋白质的鉴
定 [57-60]。近年，基因组、转录组、蛋白质组及代谢
组的整合为蛋白质功能及相互作用的研究提供了更
为强有力的支持。该整合平台在模式生物，如
Escherichia coli、Saccharomyces cerevisiae 及 Caenor­
habditis elegans的研究中展现了其强大的应用前
景 [61-63]。然而，蛋白质组学在海洋无脊椎动物研究
中的应用以前确鲜见报道，这主要归因于缺乏非模
式生物相应的可作为蛋白质质谱鉴定依据的基因组
或转录组数据。
在海洋无脊椎动物蛋白质组学的研究中，比
较成功的早期例子包括由本实验室 Thiyagarajan
和 Qian发表的关于污损生物纹藤壶 Balanus amphitrite
发育、附着及变态过程中蛋白质组构成的变化的报
道 [65]及由新西兰科学家 Sewell等 [64]报道的海胆
Evechinus chloroticus生殖系统蛋白质组的构成分
析。前者使用双向电泳 (2-DE)技术成功地分离鉴
定了纹藤壶附着过程中起关键作用的信号转导相关
蛋白 adenylyl cyclase、 calmodulin及幼虫激素结合
蛋白；后者使用多维蛋白鉴定技术 (MudPIT)及双
向电泳技术 (2-DE)研究当地海胆生殖系统的主要
蛋白。结合该生物的基因组信息，该实验室成功地
利用 2-DE及MudPIT分别鉴定了 20及 138个蛋白
质，充分体现了基因组信息对非模式生物蛋白质组
研究的支持依据作用。在其后几年，我们又致力于
构建本实验所使用的几种主要污损生物的转录组
数据 [54-56]，并在此基础上，对这些海洋污损生物
的蛋白质组学进行了系统的研究。研究物种包括了华
美管虫 Hydroides elegans[66]、纹藤壶 B. amphitrite[65,67]
及苔藓虫Bugula neritina[68]。在对纹藤壶的研究中，
我们采用了更为先进的蛋白质等电点预分离技术
(solution-phase isoelectric frac-tionation)以提高蛋白
质组分离效率。实验数据显示与能量代谢调节相关
的蛋白 (ATPase和 arginine kinase)及与压力调节相关
的蛋白 (主要包或热激活蛋白 Hsp90、70及 60)在
金星幼虫早期到后期发育过程中显示了显著的表达
差异。经抗污损化合物异丁烯内酯类处理过的金星
幼虫丧失了附着能力，而根据蛋白组分析数据显示，
我们发现经异丁烯内酯类处理过的金星幼虫，其正
常发育过程中应该发生差异表达的蛋白质被保持在
接近早期发育阶段的表达水平。我们也成功应用该
实验平台研究其他抗污损化合物的作用机理 [68]，
钱培元：抗污损海洋天然产物的开发及其作用机理研究进展第9期 1031
Thiya garajan等 [69]发现经抗污损化合物 genistein处
理的幼虫的总蛋白和磷酸化蛋白都有变化。这些实
验结果表明，蛋白质组学是研究污损生物附着变态
及抗污损化合物作用机理的有效手段。在其后的研
究中，我们还使用液质联用 ESI-QqToF技术对苔藓
虫发育各阶段的蛋白质组进行研究 [55]并使用相应
的转录组数据库作为蛋白质比对的基础，成功地
从各发育阶段鉴定了 1 200至 1 400种蛋白质。另
外，定量分析结果显示，其中的 61种蛋白质在发
育过程中发生了差异表达，从而进一步证明了转录
组、基因组和蛋白质组的联合使用在非模式生物发
育机理研究中的广泛应用前景。随着蛋白质组技术
手段的不断发展，以及其在更多的污损生物附着机
理研究中的应用，我们对相关机理的认识将会更为
深入全面。
除了利用蛋白电泳及质谱，我们还利用蛋白沉
降的方法找到了异丁烯内酯类的直接作用靶点——
硫解酶，并利用异源表达很好地验证了这一点 [70]。
但这是建立在异丁烯内酯类本身结构的特异性以及
清晰的构效关系基础上的，并非所有的抗污损化合
物都能使用蛋白沉降技术。
3　抗污损药物的注册与评估
目前，欧盟、美国、加拿大、澳大利亚、新西
兰和中国香港都有抗污损药物的注册系统。根据欧
盟 JRC-IHCP的规定 (98/8/EC)，抗污损药物的注册
包括两步：活性成分必须通过第一步评估被收纳入
98/8/EC的附件 I中以及含有活性成分的产品通过
进一步评估被批准使用。
评估内容写在 98/8/EC的附件 II和 III中。其
中附件 II说明了基本数据，附件 III说明了可能需
要的额外数据。概括地说，除了注册人和化学基本
信息之外，还需要以下方面的数据：评估对象的理
化性质、评估对象的检测方法和灵敏度 [71-72]、评估
对象的有效性和用途 [16]、评估对象对于哺乳动物的
毒理 (包括通过各种途径接触药物的影响 [73-74]；刺
激性、腐蚀性、致突变性、致癌性、致畸性、致敏性，
以及对生育的影响 [75-77]等，有些还需要研究其神经
毒性 )、评估对象对于环境的毒理 (包括对水生生
物的作用 [77-80]、生物富集率 [81-82]和在环境中的药物
转化和去向 [83-86]等 )。
研究的具体方法在 European commission的 tech-
nical guidance document on risk assessment中写明。对
于含有活性物质的产品进行评估后应该得知：危害
的种类，产品不能对生物造成不必要的折磨。无害
浓度 (no-observed-adverse-effect levels, NOAEL)、暴
露量计算模型 [87]、预测无效浓度 (predicted no effect
concentration, PNEC)、预测环境浓度 (predicted env-
ironment concentration, PEC)、有效性 [88]和生物富
集率 (bioconcentration factor, BCF)。其中 PEC不能
小于 PNEC，BCF在脊椎动物脂肪中不能大于 1，
在海洋生物中不能大于 1 000 (易降解的对象 )或
100 (不易降解的对象 )。
除了规定内的指标外， 很多研究者还常用对于
特定污损生物的 LC50/EC50来衡量抗污损药物的特
异性 [16,89]。我们在对抗污损药物丁烯酸内酯的研究
中，还使用了物种特异性 (等于在非污损生物中在
急性毒性试验中最低的 EC50除以在污损生物的抗
污实验中最高的 EC50)来作为衡量的指标
[80]。污损生
物的抗污损药理机制也能帮助衡量可能的风险 [90-91]。
有的抗污损药物改变了物种间的数量比例，也作为
其生态威胁之一得到重视 [92]。
[参　考　文　献]
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