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Effects of overexpression glucosamine deaminase on glucosamine synthesis and central carbon metabolism in Escherichia coli

过表达氨基葡萄糖脱氨酶对大肠杆菌氨基葡萄糖合成及中心碳代谢的影响



全 文 :第 11 卷第 4 期
2013 年 7 月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol. 11 No. 4
Jul. 2013
doi:10. 3969 / j. issn. 1672 - 3678. 2013. 04. 008
收稿日期:2012 - 03 - 27
基金项目:国家高技术研究发展计划(863 计划)(2012AA022101)
作者简介:王珊珊(1988—) ,女,河南洛阳人,硕士研究生,研究方向:生物化工;严  明(联系人),副教授,E⁃mail:yanming@ njut. edu. cn
过表达氨基葡萄糖脱氨酶对大肠杆菌氨基葡萄糖
合成及中心碳代谢的影响
王珊珊,高  璐,严  明,许  琳
(南京工业大学 生物与制药工程学院,南京 211800)
摘  要:考察过表达氨基葡萄糖脱氨酶对氨基葡萄糖合成及大肠杆菌(Escherichia coli)中心碳代谢的影响。 实验结
果表明:过表达氨基葡萄糖脱氨酶使得在 36 g / L葡萄糖,pH为 9􀆰 0 的发酵条件下,发酵 24 h后,重组菌发酵液中氨
基葡萄糖、丙酮酸和乙酸的量分别是对照菌 Rosetta的 2􀆰 1、1􀆰 48 和 1􀆰 74 倍;而乳酸的量为 2􀆰 53 g / L,对照菌 Rosetta
发酵液中的乳酸含量未检测到,重组菌发酵液中柠檬酸及 α⁃酮戊二酸的含量分别是 Rosetta的 2􀆰 99 和 2􀆰 73 倍。
关键词:大肠杆菌;脱氨酶;氨基葡萄糖
中图分类号:Q78        文献标志码:A        文章编号:1672 - 3678(2013)04 - 0042 - 07
Effects of overexpression glucosamine deaminase on glucosamine synthesis
and central carbon metabolism in Escherichia coli
WANG Shanshan,GAO Lu,YAN Ming,XU Lin
(College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 211800,China)
Abstract:The effects on glucosamine synthesis and central carbon metabolism in E􀆰 coli by overexpression
glucosamine deaminase were investigated􀆰 The results showed that overexpression glucosamine deaminase
nagB could improved the content of glucosamine by two times of that of Rosetta,under the conditions of 36
g / L glucose,pH 9􀆰 0,after 24 h fermentation􀆰 The content of pyruvate was 1􀆰 48 times,acetic acid was
1􀆰 74 times,citric acid was 2􀆰 99 times,α⁃ketoglutaric acid was 2􀆰 73 times of that of Rosetta,respectirely.
Lactic acid content of recombinant was 2􀆰 53 g / L. Lactic acid content of the original bacteria was not
detected. These preliminary findings showed that,overexpression of the glucosamine deaminase promoted
the accumulation of glucosamine in E􀆰 coli,overexpression of the glucosamine deaminase also made the
accumulation of pyruvate,acetic acid and lactic acid 􀆰 Overexpression of the glucosamine deaminase has
great impact on the TCA cycle,high level of the citric acid and α⁃ketoglutaric acid were detected􀆰
Key words:E. coli;deaminase;glucosamine
    氨基葡萄糖(2 氨基 2 脱氧 D 葡萄糖,简
称 GlcN)是人体合成关节软骨及滑液的中间物,人
体及动物体内关节组织中糖蛋白的天然成分[1 - 2]。
国内外研究发现 GlcN 对骨关节炎有一定的疗
效[3 - 4]。 目前,工业上主要通过化学法水解甲壳素
得到,但原材料来源逐渐成为这种生产方法的限
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制,且通过这种方法生产的 GlcN用来做药物作用于
人体会有贝类蛋白过敏的风险[5]。 生物法制备氨
基葡萄糖不会有原料来源的限制及贝类蛋白过敏
的风险,环境污染小,操作简单等优点,近年来已成
为研究热点[5 - 7],通过基因工程手段改变宿主的代
谢途径产 GlcN就是其中的一种方法。
氨基葡萄糖脱氨酶 ( NagB)主要催化 ( GlcN⁃
6⁃P)合成 Fru⁃6⁃P,此酶会受到乙酰氨基葡萄糖 6
磷酸的变构激活(图 1),使得正逆反应的 Km 值均减
小[8]。 而黑曲老霉的氨基葡萄糖脱氨酶催化 Fru⁃6⁃
P形成 GlcN⁃6⁃P的 Km 值是已报道的氨基葡萄糖脱
氨酶中最低的,且此酶在偏酸性的环境下脱氨的反
应酶活较高,在偏碱性的条件下加氨反应酶活较
高[9]。 因此,通过过表达黑曲老霉的氨葡萄糖脱氨
酶并控制发酵过程,在偏碱性的条件下研究其对大
肠杆菌 ClcN的合成[10 - 11]的影响。
由于 Fru⁃6⁃P在细胞内不仅用来合成氨基葡萄
糖,还有一部分经过 EMP途径,生成丙酮酸,而丙酮
酸一部分代谢生成乳酸和乙酸,一部分在有氧条件
下进入 TCA 循环。 这就造成氨基葡萄糖的合成途
径和 EMP 途径会竞争 Fru⁃6⁃P 这个共同的底
物[5,9],所以过表达氨基葡萄糖脱氨酶可能会对中
心碳代谢产生影响。 因此,笔者拟考察在大肠杆菌
中过表达黑曲霉的氨基葡萄糖脱氨酶及其对大肠
杆菌 GlcN的合成[12 - 13]及中心碳代谢的影响,为通
过改变大肠杆菌代谢途径生产 GlcN 的研究奠定
基础。
1  材料与方法
1􀆰 1  菌株和质粒
大肠杆菌 Rosetta、DH5α,质粒 pMD18T - nagB
由笔者所在实验室保藏。 表达载体 pET15B 购自
TaKaRa公司。
1􀆰 2  培养基
种子液采用 LB 培养基(g / L):胰蛋白胨 10、酵
母粉 5、NaCl 10。
自诱导培养基(g / L) [14]:胰蛋白胨 10、酵母粉
5、Na2 HPO4 7􀆰 099、 KH2 PO4 6􀆰 804 5、 ( NH4 ) 2 SO4
3􀆰 303 5、α 甘油 5、葡萄糖 0􀆰 5、α 乳糖 3,微量元
素溶液。
1 000 ×微量元素(mmol / L):FeCl3 0􀆰 01、CaCl2
0􀆰 004、MnCl2 0􀆰 002、 ZnSO4 0􀆰 002、 CoCl2 0􀆰 000 4、
CuCl2 0􀆰 000 4、 NiCl2 0􀆰 000 4、 NaMoO4 0􀆰 000 4、
图 1  大肠杆菌 GlcN的生物合成与分解途径
Fig. 1  Pathways of biosynthesis and catabolism
GlcN for E. coli
Na2SeO3 0􀆰 000 4、H3BO3 0􀆰 000 4。
用 NaOH 调 pH 至 7􀆰 5,加入 MgSO4 0􀆰 24 g / L,
加氨苄青霉素的终质量浓度为 0􀆰 1 g / L。
发酵液 ( g / L):葡萄糖 36、 NH4 HCO3 7􀆰 906、
K2HPO4·3H2O 7􀆰 2、 KH2PO4 0􀆰 41, MgSO4 0􀆰 4、
ZnCl2 0􀆰 4。
磷酸缓冲液 ( PBS)体系 ( g / L): NaCl 8、 KCl
0􀆰 2、KH2PO4 0􀆰 24、Na2HPO4 1􀆰 44。
1􀆰 3  主要试剂和仪器
限制性内切酶、DNA Marker购自 TaKaRa公司,
LApro TaqDNA聚合酶购自南京金斯瑞生物科技有
限公司,Taq DNA聚合酶、质粒小量抽提试剂盒购自
上海申能博彩生物技术有限公司,胶回收试剂盒购
自美国 Biomiga公司,氨苄青霉素购自 BBI 公司,乙
腈购自美国 ROE 公司,其他试剂均为国产试剂纯,
高效液相色谱系统购自美国戴安公司。
1􀆰 4  氨基葡萄糖脱氨酶基因 nagB 在 E􀆰 coli 中的
表达
1􀆰 4􀆰 1  重组质粒 pET15B⁃nagB的构建
根据 NCBI中黑曲霉基因组中的 nagB 基因序
列设计氨基葡萄糖脱氨酶基因的 PCR 扩增引物。
上游引物 P1:5′⁃GCGGCGTCTCACATGAGAGTAAT
CATTAGGGAGACTAGCC⁃3′;下游引物 P2:5′⁃CCG⁃
CTCGAGTCAATGCGATGCAACCC⁃3’。
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在上下游分别设计了 BsmBI 和 XhoI 点用于连
接到表达载体 pET15B。 以 pMD18T⁃nagB 为模板,
用设计的引物 PCR扩增 nagB基因。 所用引物由南
京金斯瑞生物科技有限公司合成。
扩增条件:94 ℃预变性 5 min;94 ℃变性 45 s,
54 ℃退火 45 s,72 ℃延伸 1 min 30 s,30 个循环;72
℃延伸 10 min。
将 pET15B 和 PCR 扩增片段用 BsmBI 和 XhoI
进行双酶切,胶回收 nagB 片段,将其与经相同酶切
线性化并胶回收过的 pET15B 载体连接,转化入大
肠杆菌 DH5α,挑取阳性转化子。 提取质粒酶切鉴
定,将重组表达载体命名为 pET15B⁃nagB。 并将其
转化大肠杆菌 Rosetta,筛选出阳性转化子。
1􀆰 4􀆰 2  重组菌诱导表达
重组菌 Rosetta⁃pET15B⁃nagB 在液体 LB 中,37
℃培养活化。 然后按 2%接种量转接入自诱导培养
基中, 37 ℃、 200 r / min、培养 2􀆰 5 h。 然后转入
15 ℃、200 r / min条件下,进行诱导表达 15 h。
1􀆰 4􀆰 3  SDS⁃PAGE电泳分析
采用 5%的浓缩胶及 12%分离胶的不连续垂直
平板电泳进行蛋白分离,考马斯亮蓝 R 250 染色。
1􀆰 4􀆰 4  蛋白质含量测定
蛋白质含量的测定采用 Bradford 法,以牛血清
白蛋白为标准蛋白质。
1􀆰 4􀆰 5  酶活力的测定
粗酶液的制备:低温收集菌体,用 100 mmol / L
PH 8􀆰 3 Tris洗菌 2 次,破碎细胞,低温离心,取上清
作为酶液。
酶活力单位定义:1 min 生成 1 μmol GlcN 所需
的酶量为 1 个单位(U)。
酶活力测定方法[9]:取 1􀆰 2 mol / L的 Na2CO3 溶
液 10 mL加入 700 μL乙酰丙酮得乙酰丙酮溶液;
称 1􀆰 333 g对二甲氨基苯甲醛溶于 25 mL浓盐
酸和 25 ml无水乙醇的混合液中得对二甲氨基苯甲
醛溶液;
取一个 1􀆰 5 mL 的 EP 管,加入 600 mmol / L
NH4Cl 10 μL,60 mmol / L 的 Fru⁃6⁃P10 μL,酶液 80
μL,放入 30 ℃水浴锅中,反应 5 min后,加入乙酰丙
酮溶液 50 μL,沸水浴 30 min,冷却后加入 100 μL
无水乙醇,50 μL 对二甲氨基苯甲醛溶液,混匀,再
加入 200 μL 无水乙醇,60 ℃保温 1 h,用酶标仪测
540 nm处的吸光值。
1􀆰 5  发酵体系的优化以及有机酸随发酵时间的
变化
    低温收集诱导表达后的菌体,并用 PBS 低温洗
菌 2 次,加入发酵液,转移至 250 mL 三角瓶中,
30 ℃、200 r / min条件下,发酵葡萄糖形成 GlcN。 在
此基础上对于初始 pH、发酵温度、底物浓度,菌体浓
度的发酵条件进行了优化。
1􀆰 6  测定方法
GlcN含量的测定[15]:采用戴安 Ultimate 3000
高效液相色谱系统,汉邦 C18 色谱柱,检测器为紫
外检测器,检测波长 254 nm,流动相为乙酸钠乙腈
溶液。
有机酸含量的检测:采用戴安 Ultimate 3000 高
效液相色谱系统,戴安有机酸色谱柱,检测器为紫
外检测器,检测波长 210 nm,流动相为 6􀆰 8 g / L
KH2PO4溶液。
2  结果与讨论
2􀆰 1  含有氨基葡萄糖脱氨酶基因 nagB 重组质粒
的构建及表达
    以实验室已有 pMD18T⁃nagB 载体为模板,利
用合成的引物 P1 和 P2 进行 PCR 扩增,通过琼脂
糖凝胶电泳检测扩增片段,扩增 DNA 片段长为
1 068 bp。 将该片段纯化和酶切后,插入载体
pET15B 的 NcoI和 XhoI酶切位点之间。 用所构建
的重组质粒转化大肠杆菌 DH5α,转化子涂布于含
有 34 μg / mL氯霉素和 100 μg / mL 氨苄青霉素的
LB 平板,提取阳性重组子质粒。 重组质粒经过双
酶切验证(预期两片段大小分别为:6 270 和 441
bp),结果如图 2 所示。 由图 2 可知,泳道 4 重组
质粒双酶切验证结果片断大小与预期相符。 该质
粒命名为pET15B⁃nagB。
将重组质粒 pET15B⁃nagB 转化进入大肠杆菌
Rosetta 中,挑取单菌落接入 LB 液体培养基培养,
12 h后转接入自诱导培养基。 15 ℃诱导 15 h 菌液
经超声破碎细胞后,上清液经 SDS⁃PAGE 蛋白质电
泳分析,结果如图 3 所示。 由图 3 可知:重组菌的破
碎上清液中出现 1 条约为 4􀆰 2 × 104的特异性条带,
与理论值 3􀆰 9 × 104相符合。 同时测得重组菌破碎
上清液中氨基葡萄糖脱氨酶活性为 2 mU / mg,而对
照菌的破碎上清液中检测到氨基葡萄糖脱氨酶的
活性为 0􀆰 4 mU / mg,说明氨基葡萄糖脱氨酶基因
nagB在重组菌中已获得成功表达。
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1 ~ 2—nagB基因 PCR扩增产物;3—DNA Marker DL2000;4 ~ 5—重组质粒 pET15B⁃nagB双酶切产物;
6—DNA Marker DL2000;7—DNA Marker DL15000
图 2  nagB的基因扩增与重组质粒 pET15B⁃nagB的酶切鉴定
Fig. 2  Amplification of gene nagB and identification of restriction analysis of pET15B⁃nagB
Marker—Protein Marker;1—Rosetta菌;2—Rosetta⁃pET15B⁃nagB
图 3  重组大肠杆菌 Rosetta⁃pET15B⁃nagB
细胞的 SDS⁃PAGE电泳分析
Fig. 3  SDS⁃PAGE analysis of recombinant
Rosetta⁃pET15B⁃nagB
2􀆰 2  发酵条件对大肠杆菌合成 GlcN的影响
2􀆰 2􀆰 1  初始 pH对重组大肠杆菌合成 GlcN的影响
在大肠杆菌中,合成 GlcN 的底物 Fru⁃6⁃P 是葡
萄糖经 EMP途径转化而来,而另一个底物谷氨酰胺
主要用来提供 NH +4 ,因此发酵底物选择葡萄糖和铵
盐。 由文献[9]知,pH 对该酶的活性影响较大,因
此在发酵条件中,选择不同的初始 pH 条件作为考
虑的首要问题。
由图 4 可知:初始 pH≤7􀆰 0 时,发酵液中 GlcN
含量较低,这主要是由于在酸性缓冲液中氨基葡萄
糖脱氨酶的加氨反应活性较低所致;初始 pH为 8􀆰 0
图 4  不同初始 pH对发酵合成 GlcN的影响
Fig. 4  Effects of different initial pH on
fermentation GlcN yield
至 9􀆰 3 时,发酵液中 GlcN 的含量较高,这主要是因
为氨基葡萄糖脱氨酶在偏碱性的条件下,酶的加氨
方向的反应活性较高;初始 pH 为 10􀆰 0 时,发酵液
中 GlcN含量骤然减少,这是由于碱性过强的溶液对
于菌体会产生影响。 因此,初始 pH 对于重组菌发
酵合成 GlcN 有影响,且发酵液的最适初始 pH
为 9􀆰 0。
2􀆰 2􀆰 2  温度对重组大肠杆菌合成 GlcN的影响
考察了温度对重组菌发酵合成 GlcN的影响,结
果如图 5 所示。
由图 5 可知:发酵温度在 20 ~ 48 ℃时,发酵液
中 GlcN的含量随着温度的降低而增高。 这是因为
温度升高时,温度对酶稳定性的影响增强,酶会逐
渐失活,产物得率降低。 确定体系最适发酵温度为
20 ℃。
2􀆰 2􀆰 3  铵盐对重组大肠杆菌合成 GlcN的影响
考察铵盐对重组菌发酵合成 GlcN有影响,结果
见图 6。 由图 6 可知:NH4HCO3 对发酵产生 GlcN最
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有利,其余来源的铵盐对于发酵产生 GlcN没有明显
的作用。 因此确定体系最适铵盐来源为 NH4HCO3。
图 5  温度对发酵合成 GlcN的影响
Fig. 5  Effects of temperature on fermentation
of GlcN yield
图 6  铵盐对发酵合成 GlcN的影响
Fig. 6  Effects of different ammonium ion source on
fermentation GlcN yield
2􀆰 2􀆰 4  底物浓度对重组大肠杆菌合成 GlcN的影响
考察底物浓度对重组菌发酵合成 GlcN的影响,
结果见图 7。 由图 7 可知:底物浓度≤0􀆰 2 mol / L时,
随着底物浓度的增加,发酵液中 GlcN的量增加。 这
主要是根据酶反应动力学原理,在底物浓度≤Km的
时候,提高底物浓度会提高反应速率,产物的量会
增加。 当底物浓度在 0􀆰 3 ~ 0􀆰 6 mol / L 时,随着底物
浓度增加,发酵液中 GlcN的量减少。 这主要是由于
菌体所处的胞外环境浓度过高,不利于菌体代谢。
确定体系最适底物浓度为 0􀆰 2 mol / L。
2􀆰 2􀆰 5  菌体密度对重组大肠杆菌合成 GlcN的影响
考察菌体浓度对发酵产物合成的影响[16],结果
见图 8。 由图 8 可知:在菌体 OD600为 20 左右的情
况下,发酵液中 GlcN 的积累最多。 因此,确定最适
菌体浓度 OD600为 20。
图 7  底物浓度对发酵合成 GlcN的影响
Fig. 7  Effects of substrate concentration on fermentation
GlcN yield
图 8  菌体密度对发酵合成 GlcN的影响
Fig. 8  Effects of cell concentration on fermentation
GlcN yield
2􀆰 2􀆰 6  发酵时间对重组大肠杆菌合成 GlcN的影响
考察发酵时间对发酵产物的影响[16],结果见图
9。 由图 9 可知:发酵时间在 0 ~ 24 h 时,随着发酵
时间的延长,发酵液中 GlcN 的含量不断增加,24 h
达到最大值,28 h 开始减少。 因此确定体系最佳发
酵时间为 24 h。
图 9  发酵时间对发酵合成 GlcN的影响
Fig. 9  Effects of fermentation time on fermentation
GlcN yield
64 生  物  加  工  过  程    第 11 卷 
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2􀆰 3  过表达 nagB基因对 GlcN积累以及中心碳代
谢的影响
    在最适发酵条件下,检测发酵液中残糖、GlcN
的含量,以及丙酮酸、乙酸、乳酸、柠檬酸及 α 酮戊
二酸几种有机酸的含量,观察过表达氨基葡萄糖脱
氨酶对于 GlcN积累以及中心碳代谢的影响。
2􀆰 3􀆰 1  过表达 nagB 基因对发酵过程中糖耗以及
GlcN积累的影响
图 10 为过表达 nagB 基因对发酵过程中糖耗
的影响结果。 由图 10 可知:在优化的最佳发酵条件
下,0 ~ 18 h,重组菌的糖耗速率比原始菌 Rosetta
大,而且在 24 h 葡萄糖均已耗尽。 由此可见,过表
达 nagB造成了发酵过程中的糖耗速率增大。
图 10  过表达 nagB对发酵过程中糖耗的影响
Fig. 10  Effects on overexpression genes nagB
on sugar consumption
图 11 为在最佳发酵条件下,过表达 nagB 基因
对发酵过程中大肠杆菌 GlcN 积累的影响结果。 由
图 11 可知:在最佳发酵条件下,葡萄糖耗尽,重组菌
发酵液中的 GlcN含量是 Rosetta 的 2􀆰 1 倍。 这说明
过表达 nagB 对大肠杆菌 GlcN 的合成有一定的促
进作用。
图 11  过表达 nagB对大肠杆菌 GlcN积累的影响
Fig. 11  Effects on gene nagB overexpression
on GlcN production in E􀆰 coli
2􀆰 3􀆰 2  过表达 nagB 基因对大肠杆菌中心碳代谢
的影响
合成 GlcN⁃6⁃P的底物 Fru⁃6⁃P在细胞内除了用
来合成 GlcN⁃6⁃P 之外,还会经 EMP 途径形成丙酮
酸,丙酮酸一部分经代谢会合成乳酸或乙酸,另一
部分进入 TCA 循环。 因此,通过观察乙酸、乳酸和
柠檬酸及 α⁃酮戊二酸的积累,观察过表达 nagB 对
中心碳代谢的影响,结果见图 12。
图 12  过表达 nagB对大肠杆菌有机酸积累的影响
Fig. 12  Effects on overexpression nagB on organic
acids production in E. coli
由图 12 可知:在最佳发酵条件下,重组菌发酵
液中丙酮酸的含量是 Rosetta 的 1􀆰 48 倍;丙酮酸的
代谢产物乙酸的含量是 Rosetta 的 1􀆰 74 倍;丙酮酸
的代谢产物乳酸的含量为 2􀆰 53 g / L,Rosetta 发酵液
中没有检测到乳酸含量;重组菌发酵液中柠檬酸及
α 酮戊二酸的含量分别是 Rosetta 的 2􀆰 99 和 2􀆰 73
倍。 实验数据表明:过表达 nagB 导致了有机酸的
积累,且跟 TCA途径相关的柠檬酸及 α 酮戊二酸
的含量较高,分别为 2􀆰 39 和 11􀆰 74 g / L。
3  结  论
研究了在大肠杆菌 Rosetta 中过表达黑曲霉氨
基葡萄糖脱氨酶,对于大肠杆菌 GlcN的合成和中心
碳代谢的影响。 实验结果表明:过表达氨基葡萄糖
脱氨酶使得在 36 g / L 葡萄糖,pH 为 9􀆰 0 的发酵条
件下,发酵 24 h后,重组菌发酵液中氨基葡萄糖、丙
酮酸和乙酸的量分别是对照菌 Rosetta 的 2􀆰 1、1􀆰 48
和 1􀆰 74 倍;而乳酸的量为 2􀆰 53 g / L,对照菌 Rosetta
发酵液中的乳酸含量并未检测到,重组菌发酵液中
柠檬酸及 α 酮戊二酸的含量分别是 Rosetta 的
2􀆰 99 倍和 2􀆰 73 倍。 过表达黑曲霉氨基葡萄糖脱氨
酶能够促进 GlcN的合成,导致糖代谢减慢,使得葡
萄糖主要经过 EMP途径进入 TCA循环。
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在后期的工作中,可以对大肠杆菌的代谢途径
进一步的改造,加强 GlcN 合成途径,弱化中心碳代
谢途径,以实现 GlcN的有效积累。
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84 生  物  加  工  过  程    第 11 卷 
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