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Dr. Gene Mayer
BACTERIOLOGÍA
INMUNOLOGÍA
MICOLOGÍA
PARASITOLOGÍA
VIROLOGÍA
EN INGLÉS
VA EL CAPÍTULO
9
VIDEOCONFERENCIA
EN INGLÉS
INSTITUTO
POLITÉCNICO
NACIONAL
E-MAIL
DR PAULA
FIGUEROA
BACTERIOLOGÍA - CAPÍTULO OCHO
INTERCAMBIO DE INFORMACIÓN GENÉTICA
Traducido por : Dr. en C. Paula Figueroa-Arredondo
LECTURA: Murray
y col. Medical
Microbiology, 3ª.
Ed., Capítulo 5 I. INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS DE
APRENDIZAJE
Explicar los
mecanismos de la
transferencia de
genes en
bacterias.
Describir la
naturaleza de los
elementos
genéticos
transponibles y los
plásmidos.
Discutir la
importancia de la
transferencia
genética, los
elementos
genéticos
transponibles y los
plásmidos
En las poblaciones bacterianas constantemente están surgiendo mutaciones a causa de los errores que aparecen
durante la replicación. Si existe cualquier ventaja selectiva para una mutación en particular (ej. resistencia a
antibióticos), la mutante enseguida se convertirá en el principal componente de la población, debido a la rápida
tasa de crecimiento de las bacterias. Además, dado que las bacterias son organismos haploides, aún las
mutaciones que normalmente podrían ser recesivas serán expresadas. Por ello, en poblaciones bacterianas las
mutaciones pueden representar un problema en el tratamiento de las infecciones causadas por bacterias. No solo
son problema las mutaciones, las bacterias tienen mecanismos por los cuales sus genes pueden transferirse de
una célula a otra. Por tanto, una mutación que surge en una célula siempre puede ser transmitida a las otras.
La transferencia genética en bacterias es unidireccional y va de una célula donadora a una receptora y la donadora
usualmente cede solamente una pequeña parte de su DNA a la receptora. Por tanto, no se forman cigotos
completos; en su lugar se forman cigotos parciales (merocigotos).
Los genes bacterianos usualmente se transfieren a miembros de la misma especie aunque ocasionalmente puede
ocurrir transferencia hacia otras especies. La Figura 1 ilustra las transferencias genéticas que se ha demostrado
que ocurren entre especies bacterianas diferentes.
PALABRAS
CLAVE
Merocigoto
Transformación
Competencia
Recombinación
Homóloga
Transducción
Transducción
generalizada
Transducción
especializada
Conversión
lisogénica
Conjugación
Pilus F/pili sexual
Replicón
F+
FHfr
F'
Elemento genético
transponible
Secuencias de
inserción
Transposón
Recombinación
sitio-específico
Variación de fase
Plásmidos,
Plásmido
conjugativo
Plásmido No
conjugativo
Factor R
RTF
Determinante R
II. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA GENÉTICA EN BACTERIAS
A. Transformación
La transformación es la transferencia genética que resulta de la incorporación de DNA desnudo por una célula
receptora desde una célula donadora. Ciertas bacterias (ej. Bacillus, Haemophilus, Neisseria, Pneumococcus) son
capaces de tomar DNA del medio ambiente y ese DNA que es introducido puede llegar a ser incorporado al
cromosoma de la célula bacteriana receptora.
1. Factores que afectan la transformación.
a. Tamaño del DNA – Funciona mejor el DNA de doble cadena de al menos 5 X 105 daltones. Por tanto, la
transformación es sensible a las nucleasas del medio ambiente.
b. Competencia de la célula receptora – Algunas bacterias son capaces de incorporar DNA en forma natural. Sin
embargo, estas bacterias solo toman al DNA en una etapa particular de su ciclo celular, cuando producen una
proteína específica llamada factor de competencia. Cuando la bacteria se encuentra en este estadio se dice que es
competente. Otras bacterias no son capaces de incorporar el DNA naturalmente, sin embargo en estas bacterias la
competencia puede ser inducida in vitro mediante tratamiento con sustancias químicas (ej. CaCl2).
2. Pasos de la transformación.
a. Incorporación del DNA – La incorporación del DNA por las bacterias Gram+ y Gram- es diferente. En las
bacterias Gram+ el DNA se introduce en forma de moléculas de cadena sencilla y la cadena complementaria se
sintetiza dentro de la célula receptora. En contraste, las bacterias Gram- incorporan DNA de doble cadena.
b. Recombinación General/Legítima/Homóloga – Luego de que el DNA de la célula donadora se ha incorporado,
ocurre un evento de recombinación recíproca entre el cromosoma y el DNA de la célula donadora. Esta
recombinación requiere de que exista homología entre el DNA del donador y el cromosoma receptor, lo que
finalmente resulta en la substitución de DNA entre la receptora y la donadora, como se ilustra en la Figura 2.
E. coli (bacilo
procariote) cepas
llevandoa cabo la
conjugación. Una cepa
tiene fimbrias © Dr Dennis
Kunkel, University of Hawaii.
Used with permission
Esta recombinación requiere de los genes de la recombinación bacteriana (recA, B y C) y de que exista homología
entre los DNAs involucrados. Este tipo de recombinación se denomina recombinación general, legítima u
homóloga. Debido al requerimiento de homología entre las células donadora y huésped, solo el DNA de una
bacteria cercanamente relacionada se esperaría que transformara exitosamente, aunque en raras ocasiones se ha
demostrado que sí ocurre transferencia genética de este tipo entre bacterias relacionadas de forma más bien
distante.
3. Importancia – La transformación ocurre en la naturaleza de manera normal y es un mecanismo que puede
conducir al incremento de la virulencia bacteriana. Por otra parte, la transformación in vitro ha sido ampliamente
utilizada en la tecnología del DNA recombinante.
B. Transducción.
Figura 1 Transferencia
genética que se ha
demostrado que ocurre
entre diferentes
especies de bacterias.
La transducción es la transferencia de información genética desde un donador a un receptor y está mediada por un
bacteriófago (fago). La cubierta del fago protege al DNA del medio ambiente, así es que la transducción, a
diferencia de la transformación, no se ve afectada por las nucleasas en el medio ambiente. No todos los fagos
pueden mediar la transducción. En la mayoría de los casos la transferencia genética se realiza entre miembros de
las mismas especies bacterianas. Sin embargo, si un fago en particular posee un amplio rango de huéspedes que
él es capaz de infectar, entonces la transferencia entre las especies puede ocurrir. La capacidad del fago para
mediar la transducción, está relacionada con el ciclo de vida del mismo.
1. Tipos de Transducción
a. Transducción Generalizada - La transducción generalizada es el mecanismo por el cual potencialmente
cualquier gene bacteriano de la donadora puede ser transferido a la célula receptora. El mecanismo de la
transducción generalizada se ilustra en la Figura 3.
Figura 2
Recombinación
General. El DNA del
donador se muestra en
rojo y el del receptor
en azul.
Los fagos que median la transducción generalizada, normalmente cortan el DNA de la célula huésped en
pequeñas piezas y empacan ambos DNAs al interior de la partícula fágica mediante un mecanismo llamado “head
full” o llenado de las cabezas del fago. Ocasionalmente una de las piezas del DNA de la bacteria huésped resulta
empacada al azar dentro de una cubierta de fago. Por lo tanto cualquier gene de la bacteria donadora puede ser
potencialmente transferido, pero solamente se transferirá tanto DNA como pueda caber en una sola cápside.
Cuando la célula receptora se infecta con un fago que contiene DNA de una donadora, el DNA de la donadora
puede entrar a la receptora. Ya dentro de la célula receptora puede ocurrir el evento de la recombinación
Figura 3 El mecanismo generalizada, en el cual se substituye el DNA de la célula donadora por el de la receptora (Figura 2).
de la transducción
generalizada.
b. Transducción especializada – La transducción especializada es la transducción en la cual solo ciertos genes del
donador pueden ser transferidos al receptor. Diferentes fagos pueden transferir diferentes genes pero un fago
individual solamente puede transferir unos pocos genes. La transducción especializada está mediada por fagos
lisogénicos o fagos temperados y los genes que se llegan a transferir dependerán del lugar donde el profago
queda insertado en el cromosoma. El mecanismo de la transducción especializada se ilustra en la Figura 4.
Figura 4. El
mecanismo de la
transducción
especializada.
Durante la escisión (separación) del profago, un error llega a ocurrir ocasionalmente en el cual un poco del DNA
del huésped escinde (se separa del cromosoma) junto con el DNA del fago. Solo puede ser transferido el DNA del
huésped que esté flanqueando cada lado del sitio donde el profago se ha insertado, (ej. transducción
especializada). Después de la replicación y la liberación del fago y a través de la infección de la célula receptora,
puede ocurrir una lisogenización de la receptora dando como resultado la transferencia estable de los genes de la
donadora. La receptora ahora tendrá dos copias de los genes que le fueron transferidos. También es posible que
se lleve a cabo una recombinación legítima entre los genes de la donadora y de la receptora.
2. Importancia – La conversión lisogénica (mediada por fago) ocurre en la naturaleza y es la fuente de donde
proceden las cepas virulentas.
PELÍCULA
Conjugación
Alta resolución
Baja resolución
C. Conjugación
© Mondo Media, San
Francisco, Calif., USA and
and The MicrobeLibrary
La conjugación es la transferencia de DNA de una donadora a una receptora, mediante contacto físico directo
entre las células. En las bacterias existen dos tipos de células y son las donadoras (macho) y las receptoras
(hembras) y la dirección de la transferencia genética es en un solo sentido; así el DNA se transfiere desde la
Este video clip
donadora hacia la receptora.
demuestra el proceso
de la conjugación.
Primero, dos bacterias
recombinan su
material vía el pilus
sexual. Luego, una
cadena del plásmido
se transfiere a la célula
unida. Note que el
plásmido original no se
pierde en la primera
célula. Finalmente,
cada célula duplica
inmediatamente la
cadena sencilla de
modo que ambas
bacterias tienen una
copia del plásmido de
cadena doble.
1. Tipos de células acopladas (mating cells) en las bacterias
a. Donadora – La capacidad de una bacteria de ser el donador es consecuencia de la presencia en dicha célula de
una pieza extra de DNA, llamada factor F, factor de fertilidad o factor sexual. El factor F es una pieza circular de
DNA que es capaz replicar en forma autónoma en la célula; es un replicón independiente. Las piezas de DNA
extra-cromosomal que pueden replicar autónomamente, reciben el nombre genérico de plásmidos. El factor F
posee los genes necesarios tanto para su replicación como para su habilidad de transferir DNA a la célula
receptora. Una de las cosas que el factor F codifica es la capacidad de producir una estructura llamada pilus
sexual (pilus F) sobre la superficie de la bacteria. Este pilus es importante en el proceso de conjugación. El factor
F no es el único plásmido que puede mediar la conjugación pero generalmente se toma como modelo.
b. Receptora – La capacidad de actuar como receptora es consecuencia de la carencia de esta célula del factor F.
2. Estados fisiológicos del factor F
a. (F+) Autónomo – El factor F en este estado lleva solamente aquellos genes necesarios para su replicación y
para la transferencia de DNA. No hay genes cromosomales asociados con el factor F en las cepas F+.
a
b
Figura 5 Estados
fisiológicos del factor
F.r
En los cruces del tipo F+ X F- el F- se convierte en F+ mientras que F+ permanece como F+. Por lo tanto, el factor F
es infeccioso. Por otra parte, solamente se presenta un bajo nivel de transferencia de los genes cromosomales de
la donadora.
b. (Hfr) Integrado - En este estado el factor F se encuentra integrado en el cromosoma bacteriano, vía un evento
de recombinación, como se ilustra en la Figura 5a
En los cruces del tipo Hfr X F- el F- raramente se convierte en Hfr y la célula Hfr permanece como tal. En éste caso
existe una alta frecuencia de transferencia de los genes cromosomales del donador, de ahí que el nombre de la
cepa sea hfr, del inglés high frequency of recombination.
c. Autónomo con genes cromosomales (F') - En este estadio el factor F es autónomo, pero ahora contiene
algunos genes cromosomales. Los factores F' se producen por escisión del factor F de una Hfr, como se ilustra en
la Figura 5b. Ocasionalmente, cuando el factor F se escinde del cromosoma Hfr, los genes del donador localizados
en cada lado del factor F pueden escindir junto con el factor F generando una F'. Los factores F' se denominan
dependiendo de los genes cromosomales que contienen.
En los cruces del tipo F' X F- el F- se convierte a F' mientras que F' permance como tal. Por otra parte esta bacteria
presenta una alta frecuencia de transferencia de aquellos genes cromosomales se encuentran en el F' y presenta
una baja frecuencia de transferencia de otros genes cromosomales del donador.
3. Mecanismo de la conjugación.
a. Cruces F+ X F- (Figura 6)
Figura 6 Mecanismo
de los cruces F+ x F-
i) Formación del par - La punta del pilus sexual se pone en contacto con la receptora y formandose un puente de
conjugación entre las dos células. Es a través de este puente que el DNA pasará del donador al receptor. De tal
forma que el DNA queda protegido de las nucleasas ambientales. Los pares de acoplamiento o mating pairs
ANIMACIÓN
pueden ser separados por fuerzas tan simples como la agitación y así la conjugación se puede interrumpir.
Apareamiento de Consecuentemente, los pares de apareamiento permanecen asociados solamente por un tiempo corto.
cepas Bacterianas
F+ y Fii) Transferencia del DNA – El DNA del plásmido se corta en un sitio específico llamado origen de la transferencia
y se replica mediante un mecanismo de círculo rodante. Una sola cadena de DNA pasa a través del puente de
© Thomas M. Terry, University
conjugación y entra a la receptora donde la segunda cadena se replica.
of Connecticut, Storrs, Conn.,
USA and The MicrobeLibrary
El plásmido F es un
plásmido autotransmisible que se
encuentra en algunas
cepas de E. coli. Las
células que poseen
uno o mas copias del
plásmido F se
denominan F+; las
células carentes de
plásmido F se llaman
F-. La animación
ilustra varios estadios
de la transferencia del
plásmido F desde las
células F+ hacia las F-.
iii) Este proceso explica los cruces característicos F+ X F-. La receptora se convierte en F+, la donadora permanece
como F+ y presenta una baja frecuencia de transferencia de los genes cromosomales del donador. Como se
describe en la Figura 7, realmente no hay transferencia de los genes cromosomales del donador. Sin embargo en
la práctica, existe un bajo nivel de transferencia de los genes cromosomales del donador en tales cruces.
b. Cruces Hfr X F- (Figura 7)
i) Formación del Par
ii) Transferencia de DNA – El DNA sufre un corte en el sitio de origen de la transferencia y se replica mediante un
mecanismo de círculo rodante. En este caso el DNA que se transfiere primero es el del cromosoma. Dependiendo
del lugar del cromosoma donde el factor F se ha integrado y en qué orientación lo haga, diferentes genes
cromosomales serán transferidos a tiempos diferentes. Sin embargo, el orden relativo y las distancias de los genes
siempre permanecerán igual. Solo hasta que el cromosoma entero se haya transferido, entonces el factor F se
transferirá. Ya que los movimientos tales como las fuerzas de agitación son capaces de separar a los pares
ANIMATION
sexuales formados, es raro que el cromosoma entero se transfiera. Por ello, la receptora generalmente no recibe el
Mating of Hfr and factor F en un cruce Hfr X F .
F- Bacterial
iii) Recombinación legítima – La recombinación entre el DNA transferido y el cromosoma da como resultado un
Strains
intercambio del material genético entre la donadora y la receptora.
Figura 7 Mecanismo
de los cruces Hfr x F-
© Thomas M. Terry, University
of Connecticut, Storrs, Conn.,
USA and The MicrobeLibrary
iv) Este mechanismo explica las caracteristicas de los cruces Hfr X F-. La receptora permanece como F-, la
donadora permanece Hfr y existe una alta frecuencia de transferencia de los genes cromosomales a partir de la
donadora.
c. Cruces F' X F- (Figura 8)
i) Formación del Par
ii) Transferencia del DNA - Este proceso es similar al cruce F+ X F-. Sin embargo, debido a que el F' lleva algunos
genes cromosomales estos también van a ser transferidos.
iii) Recombinación homóloga. No es necesaria aunque puede ocurrir.
iv) Este mecanismo explica las características de los cruces F' X F-. El F- se convierte en F', el F' permanece como
tal y la se presenta una alta frecuencia de transferencia de los genes del donador que van en el F' pero una baja
frecuencia de transferencia de otros genes cromosomales del donador.
Figura 8 El
mecanismo de cruces
F" x F-
4) Importancia – Entre las bacterias Gram negativas esta es la forma principal en que se transfieren los genes. La
transferencia puede ocurrir entre diferentes especies bacterianas. La transferencia de resistencia múltiple a los
antibióticos por conjugación ha llegado a ser un problema relevante en el tratamiento de ciertas enfermedades
bacterianas. Debido a que la célula receptora se convierte en donadora después de la transferencia del plásmido,
es fácil ver por qué un gen de resistencia a los antibióticos que va en un plásmido puede rápidamente convertir una
población sensible de bacterias en una resistente.
Las bacterias Gram positivas también tienen plásmidos que llevan genes de resistencia múltiple a los antibióticos,
en algunos casos estos plásmidos se transfieren por conjugación mientras que en otras ellos se transfieren por
transducción. El mecanismo de conjugación en las bacterias Gram + es diferente al de las Gram -. En las bacterias
Gram + el donador produce un material adhesivo el cual causa agregación con el receptor y el DNA se transfiere.
III. ELEMENTOS GENÉTICOS TRANSPONIBLES
A. Elementos Genéticos Transponibles
Los elementos genéticos transponibles son segmentos de DNA que tienen la capacidad de moverse desde una
localización hasta otra (ej. genes saltarines).
B. Propiedades de los Elementos Genéticos Transponibles
1. Movimiento al azar- Los elementos genéticos transponibles pueden moverse desde cualquier molécula de DNA
a cualquier otra molécula de DNA o aún a otro lugar dentro de la misma molécula. El movimiento no es totalmente
al azar; existen sitios preferentes en una molécula de DNA en la cual se insertará el elemento genético
transponible.
2. Incapaz de auto-replicarse – Los elementos genéticos transponibles no existen de manera autónoma (a
excepción – algunos genes transponibles en los fagos) y por tanto, para ser replicados deben ser parte de algún
otro replicón.
3. Transposición mediada por recombinación sitio-específica – La transposición requiere poca o ninguna
homología entre la localización actual y el nuevo sitio. El evento de transposición está mediado por una
transposasa codificada por el elemento genético transponible. La recombinación que no requiere de homología
entre las moléculas recombinantes se denomina de sitio-específico, ilegítima o bien recombinación nohomóloga.
4. Transposición acompañada por duplicación – En muchas instancias la transposición del elemento genético
transponible resulta en la remoción del elemento de su sitio original y su inserción en un nuevo sitio. Sin embargo,
en algunos casos el evento de transposición se acompaña de una duplicación del elemento genético transponible.
Una copia permanece en el sitio original y la otra se transpone en el nuevo sitio.
C. Tipos de Elementos Genéticos Transponibles
1. Secuencias de Inserción (IS)- Las secuencias de inserción son elementos genéticos transponibles que llevan
genes desconocidos, con excepción de aquellos que se requieren para la transposición.
a. Nomenclatura – A las secuencias de inserción (insertion sequences) se les da la designación IS seguida por un
número (ej: IS1)
b. Estructura (Figura 9)
Las secuencias de inserción son pequeños tramos de DNA que a sus extremos tienen secuencias repetidas que
están involucradas en la transposición. En medio de las secuencias terminales repetidas hay genes involucrados
en la transposición y secuencias que pueden controlar la expresión de los genes, pero no presentan otros genes
que no sean esenciales.
c. Importancia
Figura 9 Estructura de
los elementos
genéticos
transponibles
i) Mutación – La introducción de una secuencia de inserción en medio de un gene bacteriano resultará en la
inactivación de tal gene.
ii) Inserción de plásmidos en los cromosomas – Los sitios en los cuales los plásmidos se insertan en el cromosoma
bacteriano se localizan ya sea en las propias secuencias de inserción o cerca de ellas.
iii) Variación de Fase – Los antígenos flagelares son de los principales antígenos ante los cuales se dirige la
respuesta inmune, en nuestro intento de luchar contra la infección bacteriana. En Salmonella existen genes que
codifican para dos genes flagelares antigenicamente diferentes. La expresión de estos genes está regulada por
secuencias de inserción. En una orientación, uno de los genes está activo mientras que en la otra orientación el
otro gene flagelar estará activo. Como resultado Salmonella puede cambiar sus flagelos en respuesta al ataque del
sistema inmune. La variación de fase en los antígenos flagelares de Salmonella no es única. También se ha visto
que ocurre con otros antígenos de superficie. Además el mecanismo de la variación de fase puede ser diferente en
diversas especies de bacterias (ej. transformación en Neisseria).
2. Transposones (Tn) – Los transposones son elementos genéticos transponibles que llevan uno o más de otros
genes además de aquellos que son esenciales para la transposición.
a. Nomenclatura – A los transposones se les da la designación Tn seguida de un número.
b. Estructura - La estructura de un transposón es similar a la de una secuencia de inserción. Los genes extra
están localizados entre las secuencias repetidas terminales. En algunas instancias (transposones compuestos) las
secuencias repetidas terminales son de hecho secuencias de inserción. (See Figure 10).
Figura 10 Estructura
de un Transposón.
c. Importancia - Muchos genes de resistencia a los antibióticos se localizan en transposones. Debido a que los
transposones pueden saltar de una molécula DNA a otra, estos transposones de resistencia a antibióticos son un
factor principal en el desarrollo de plásmidos los cuales pueden conferir resistencia a múltiples drogas en las
bacterias que albergan tales plásmidos. Estos plásmidos de resistencia a múltiples drogas han llegado a ser un
problema médico grave, debido que el uso indiscriminado de antibióticos ha dado lugar a una ventaja selectiva
presente en las bacterias que poseen este tipo de plásmidos.
IV. PLÁSMIDOS
A. Definición – Los plásmidos son elementos genéticos extra-cromosomales que pueden llevar a cabo una
replicación autónoma. Un episoma es un plásmido que además es capaz de integrarse al cromosoma bacteriano.
B. Clasificación de los Plásmidos
1. Propiedades de Transferencia
a. Plásmidos Conjugativos – Los plásmidos conjugativos son aquellos que son los mediadores del proceso de la
conjugación. Estos plásmidos usualmente son grandes, tienen todos los genes necesarios para una replicación
autónoma y para la transferencia del DNA hacia una célula receptora (ej. genes para el pilus sexual).
b. Plásmidos No-conjugativos – Los plásmidos no-conjugativos son aquellos que no pueden mediar el proceso
de la conjugación. Estos son plásmidos usualmente más pequeños que los plásmidos conjugativos y carecen de
uno o más de los genes necesarios para la transferencia del DNA. Un plásmido no-conjugativo puede transferirse
por conjugación si la célula también alberga a un plásmido conjugativo.
2. Efectos en el fenotipo
a. Plásmido de Fertilidad (factor F)
b. Plásmidos Bacteriocinogénicos - Estos plásmidos poseen genes que codifican para substancias que matan a
otras bacterias. Dichas substancias se llaman bacteriocinas o colicinas.
c. Plásmidos de Resistencia (factores R) – Estos plásmidos acarrean genes de resistencia a los antibióticos.
i) Origen – El origen de los factores R no se conoce. Es probable que hayan evolucionado con otros propósitos y
que el advenimiento de la era de los antibióticos haya proporcionado una ventaja selectiva para su amplia
diseminación.
ii) Estructura – Los plásmidos R son plásmidos conjugativos en los cuales los genes para la replicación y la
transferencia se localizan en una parte del factor R y los genes de resistencia están localizados en otra parte del
mismo, como se ilustra en la Figura 11.
RTF (Resistance Transfer Factor) – acarrea los genes de transferencia.
Determinante R – acarrea los genes de resistencia. Los genes de resistencia frecuentemente forman parte de
transposones.
Mecanismo de acción de los genes de resistencia
a) Modificación (detoxificación) de antibióticos - ej. la enzima β-lactamasa
Figura 11 Estructura
del Plásmido R
b) Alteración del sitio blanco - ej. resistencia a la estreptomicina
c) Alteración de la incorporación- resistencia a la Tetraciclina
d) Substitución de una ruta sensible - ej. Una nueva ruta de síntesis del ácido fólico como mecanismo de
resistencia a las drogas conocidas como sulfas.
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Regreso al Departmento de Microbiología e Immunología
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