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1株海洋真菌Penicillium sp.的次級代謝產物及抗細菌活性研究

2024-04-29 00:00:00章寶丹任晉瑋翟亞楠賈佳蔡磊劉玲
中國抗生素雜志 2024年1期

摘要:目的 研究1株海洋真菌Penicillium sp. LW23的次級代謝產物及其抗細菌活性。方法 采用硅膠柱層析、Sephadex LH-20凝膠柱層析及半制備高效液相色譜等方法,對該菌株發酵產物進行分離純化;通過核磁共振波譜(NMR)和質譜(MS)等方法并比對相關文獻,鑒定化合物結構;采用微量肉湯稀釋法評價其體外抗菌活性。結果 從菌株發酵的乙酸乙酯粗提物中分離鑒定了6個化合物,分別為methyl penicyrone (1)、penicyrone (2)、verrucosidin (3)、deoxyverrucosidin (4)、peniquinone A (5)和penipratynolene (6)。結論 海洋真菌Penicillium sp. LW23能產生具有抗細菌活性的化合物。化合物3和4對幽門螺桿菌Helicobacter pylori G27和三重耐藥菌H. pylori BHKS159具有中等抑菌活性;化合物5對野油菜黃單孢菌、青枯雷爾菌、枯草芽胞桿菌和恥垢分枝桿菌均具有一定程度的抑菌活性。

關鍵詞:海洋真菌;青霉屬;次級代謝產物;抗菌活性;抗幽門螺桿菌

中圖分類號:R978.1 文獻標志碼:A

The secondary metabolites isolated from the marine-derived fungus Penicillium sp. and their antibacterial activities

Zhang Baodan1,2, Ren Jinwei1, Zhai Yanan1, Jia Jia3, Cai Lei1,2, and Liu Ling1,2

(1 State Key Laboratory of Mycology, Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101;

2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049; 3 School of Basic

Medical Sciences, Nanjing Medical University, Nanjing 211166)

Abstract Objective This study aimed to investigate the secondary metabolites from the marine-derived fungus Penicillium sp. LW23 and their antibacterial activities. Methods Silica gel column chromatography, Sephadex LH-20 gel column chromatography and reversed phase high-performance liquid chromatography (RP HPLC) were utilized to isolate and purify the fermented crude extract. Their structures were elucidated by NMR and MS analysis and comparison with the data from the literature; their antibacterial ativities in vitro were determined using the microbroth dilution technique. Results Six compounds were isolated and identified as methyl penicyrone (1), penicyrone (2), verrucosidin (3), deoxyverrucosidin (4), peniquinone A (5) and penipratynolene (6). Conclusion" " The marine-derived fungus Penicillium sp. LW23 could produce compounds with antibacterial activities. Compounds 3 and 4 showed moderate antibacterial activities against Helicobacter pylori G27 and triple-drug-resistant H. pylori BHKS159. While compound 5 showed certain antibacterial activities against Xanthomonas campestris pv. campestris, Ralstonia solanacearum, Bacillus subtilis and Mycobacterium smegmatis.

Key words Marine-derived fungi; Penicillium; Secondary metabolites; Antibacterial activity; Anti-H. pylori

海洋占據全球約70%的面積,是全球最具有綜合生產力的生態系統[1]。海洋具有高壓、低溫、缺氧和黑暗等極端生態環境特征,海洋真菌為適應其生長環境進化出獨特的代謝途徑和防御體制,進而產生一系列化學結構新穎、生物活性廣泛的次級代謝產物,從簡單的線性肽和脂肪酸到復雜的生物堿、萜烯和聚酮等[2-3],通常具有抗菌[4-5]、細胞毒[6-7]、抗氧化[8]和抗病毒[9]等生物活性。青霉屬真菌是海洋環境中常見的優勢屬[10],伴隨著科學研究工作者對海洋青霉菌的不斷深入挖掘,越來越多的新穎活性化合物被發現。例如,Yong等[11]從阿拉伯海域沉積物來源的一株青霉菌Penicillium sp. ZZ1750的發酵粗提物中分離得到了3個新化合物,包括1個具有獨特骨架的萜類化合物penipyridinone B以及2個新的生物堿,抗細胞增殖活性結果發現,penipyridinone B對膠質瘤細胞株U87MG和U251具有較強的抗增殖活性,其IC50值分別為2.45和11.40 μmol/L;Hu等[12]從麥哲倫海珊瑚來源的一株青霉菌Penicillium steckii AS-324的發酵粗提物中分離得到了4個新的聚酮類化合物steckwaic acids E-H,其中steckwaic acids E-G在C-4位具有罕見的丙烯酸骨架;Li等[13]從1株海洋青霉屬真菌的發酵粗提物中分離得到了2個新的內酯類化合物cephalosporolides H和I,其對黃嘌呤氧化酶的抑制率達到了70%~80%。由此可見海洋青霉屬真菌是活性天然產物的重要來源。

本研究以1株西南印度洋深海沉積物來源的青霉屬真菌Penicillium sp. LW23為研究對象,從其大米發酵的乙酸乙酯粗提物中分離得到6個化合物,并通過與文獻中的波譜數據比對,鑒定其為methyl penicyrone (1)、penicyrone (2)、verrucosidin" (3)、deoxyverrucosidin (4)、peniquinone A (5)和penipratynolene (6),并采用微量肉湯稀釋法對其進行體外抗菌活性的評估。化合物1~6化學結構如圖1所示。

1 材料與方法

1.1 主要試劑和儀器

石油醚、乙酸乙酯和甲醇(分析純,北京化工廠);乙腈(色譜純,Fisher Scientific公司);甲酸(分析純,國藥集團化學試劑有限公司);氘代氯仿(批號:C79235E28,上海吉至生化科技有限公司);二甲基亞砜(批號:BA03114377,北京博奧森生物技術有限公司);甲硝唑(批號:C12550319,上海阿拉丁生化科技股份有限公司);萬古霉素(批號:02105281,北京邁瑞達科技有限公司);旋轉蒸發儀(上海愛朗儀器有限公司);高壓滅菌鍋(日本HIRAYAMA公司);霉菌培養箱(上海一恒科學儀器有限公司);超凈工作臺(北京亞太科隆儀器技術有限公司);Agilent 1260高效液相色譜儀(美國Agilent公司);Bruker-500核磁共振儀(德國Bruker公司);Agilent 6520液相質譜儀(美國Agilent公司);柱層析硅膠(10~40 μm,200~300目,青島海洋化工有限公司);葡聚糖凝膠Sephadex LH-20(瑞典Amersham公司);Reprosil-Pur Basic-C18分析色譜柱(150 mm × 4.6 mm,5 μm,德國Dr. Maisch公司);YMC制備反相色譜柱(250 mm × 10 mm,5 μm,日本YMC公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 菌株來源與鑒定

該菌株由中國科學院微生物研究所蔡磊課題組分離自西南印度洋中脊的深海沉積物,現保存于中國科學院微生物研究所真菌學國家重點實驗室。使用月硅酸鈉裂解法提取該菌株的DNA,使用ITS1/ITS4通用引物,擴增菌株ITS(Internal transcribed spacer region)基因序列,送至北京天一輝遠生物科技有限公司完成測序。測序結果通過BLAST工具(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)比對確定最相近分類單元,并結合形態學鑒定確定菌株分類地位。

1.2.2 菌株發酵

將保藏在凍存管中的菌株Penicillium sp. LW23接種在PDA培養基(新鮮去皮馬鈴薯200 g,葡萄糖20 g,瓊脂20 g,蒸餾水1 L)上,倒置于28 ℃恒溫培養箱中培養5 d。在無菌操作臺中,切取約1 cm2的真菌菌塊接種至YMG培養基(葡萄糖4 g,酵母提取物4 g,麥芽糖提取物10 g,蒸餾水1 L)(250 mL×2)搖床培養48 h(28 ℃、200 r/min)獲得種子液。將獲得的種子液按照每瓶10 mL的接種量接種至滅菌大米固體培養基(大米100 g,蒸餾水110 mL)的40個500 mL錐形瓶中(總發酵量為4 kg),28 ℃恒溫靜置發酵30 d。

1.2.3 化合物分離與純化

發酵產物經乙酸乙酯(EtOAc)萃取3次后,獲得乙酸乙酯萃取浸膏(總量34.3 g)。浸膏通過正相硅膠柱層析分離,石油醚-乙酸乙酯梯度洗脫(1:0~0:1,V/V),后用100%甲醇洗脫,得到22個餾分(Fr.1~Fr.22)。Fr.1(石油醚-乙酸乙酯,1:0,V/V,31.0 mg)經過半制備高效液相色譜(HPLC)(乙腈-0.1%甲酸水等度洗脫,52:48,V/V,2.0 mL/min)得到化合物1 (6.0 mg,tR=28.8 min)和2 (2.0 mg,tR=29.5 min)。Fr.6(石油醚-乙酸乙酯,3:1,V/V,302.1 mg)經過Sephadex LH-20凝膠柱層析(甲醇體系)得到10個餾分(Fr.6.1~Fr.6.10),其中Fr.6.4和Fr.6.5合并(44.4 mg)經過半制備高效液相色譜(HPLC)(乙腈-0.1%甲酸水梯度洗脫,0~35 min,30%~35%乙腈,2.0 mL/min)得到化合物5 (1.8 mg,tR=34.1 min)。Fr.7(石油醚-乙酸乙酯,7:3,V/V,259.4 mg)經過Sephadex LH-20凝膠柱層析(甲醇體系)得到12個餾分(Fr.7.1~Fr.7.12),其中Fr.7.2(64.5 mg)經過半制備高效液相色譜(HPLC)(乙腈-0.1%甲酸水梯度洗脫,0~35 min,57%~70%乙腈,2.0 mL/min)得到化合物3 (18.0 mg,tR=29.6 min)和4 (2.4 mg,tR=33.5 min);餾分Fr.7.5~Fr.7.11合并(22.1 mg)經過半制備高效液相色譜(HPLC)(乙腈-0.1%甲酸水梯度洗脫,0~30 min,35%~60%乙腈,2.0 mL/min)得到化合物6 (2.0 mg,tR=18.4 min)。

1.2.4 微量稀釋法測試抗菌活性

使用微量稀釋法[14],對分離得到的化合物1~6進行體外抗菌活性測試。實驗所用致病菌株為幽門螺桿菌G27 (Helicobacter pylori G27)、三重耐藥(耐甲硝唑、克拉霉素和左氧氟沙星)幽門螺桿菌BHKS159 (H. pylori BHKS159)、青枯雷爾氏菌(Ralstonia solanacearum)、野油菜黃單孢菌(Xanthomonas campestris pv. campestris)、枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)和恥垢分枝桿菌(Mycobacterium smegmatis)。在96孔板中第1孔加188 μL的相應培養基(其中幽門螺桿菌培養使用腦心浸出液培養基,BHI;其余菌株使用肉湯培養基,LB)和2 μL濃度為6.4 mg/mL的化合物母液;在96孔板中進行二倍倍比稀釋后,每孔中加入10 μL的待測菌液使得其菌液濃度為5×105~1×106 CFU/mL,使得每孔中的化合物濃度分別為64、32、16、8、4、2和1 μg/mL。之后將幽門螺桿菌培養液在37 ℃的微需氧培養箱中培養3 d,其余菌株培養液在37 ℃的培養箱中培養1 d。培養結束后,對96孔板內每孔的培養液進行渾濁度觀察,以培養液保持澄清時的化合物最低濃度作為該化合物的最低抑菌濃度(minimum inhibitory concentration,MIC)。其中,幽門螺桿菌抑制活性采用甲硝唑作為陽性對照,其余菌株的抑制活性采用萬古霉素作為陽性對照,全部菌株采用DMSO作為陰性對照,對應的空白培養基作為空白對照。該實驗重復3次。

2 實驗結果

2.1 菌株鑒定結果

試驗菌株通過BLAST比對ITS序列,確定與其最相近的菌株為Penicillium sp. CMV-2018b (Genbank No. KY_989160.1),相似度為99.80%。結合形態學特征分析(圖2),將試驗菌株LW23初步鑒定為Penicillium sp.,ITS序列上傳至Genbank數據庫(Genbank No. OR115700)。

2.2 化合物的結構鑒定

化合物1:淡黃色油狀。[α]25D+16.0 (c 0.1, MeOH);ECD (c 2.23 × 10-3 M, MeOH) λmax (Δε) 289 (+11.26), 215 (-19.22) nm。根據ESI-MS顯示離子峰m/z 449.2 [M+H]+。結合1H NMR和13C NMR譜圖數據推測其分子式為C25H36O7,顯示有8個不飽和度。1H NMR (500 MHz, CDCl3) δH: 5.85 (1H, dd, J=2.8, 1.6 Hz, H-7), 5.64 (1H, dt, J= 6.0, 1.4 Hz, H-11), 4.09 (1H, m, H-15), 3.79 (3H, s, H3-24), 3.70 (1H, d, J=8.2 Hz, H-9), 3.43 (1H, s, H-13), 3.22 (3H, d, J=2.2 Hz, H3-25), 2.04 (3H, s, H3-17), 2.03 (3H, s, H3-16), 1.70 (3H, d, J=5.0 Hz, H3-20), 1.66 (3H, t, J=1.5 Hz, H3-18), 1.44 (3H, d, J=3.2 Hz, H3-22), 1.36 (3H, d, J=2.7 Hz, H3-21), 1.34 (3H, dd, J=3.3, 1.6 Hz, H3-19), 1.12 (3H, dd, J=11.3, 6.9 Hz, H3-23)。13C NMR (125 MHz, CDCl3) δC: 169.1 (C-3), 165.0 (C-1), 160.2 (C-5), 135.9 (C-10), 135.6 (C-8), 132.9 (C-7), 130.8 (C-11), 110.8 (C-4), 110.4 (C-2), 90.6 (C-9), 80.1 (C-12), 74.4 (C-15), 74.4 (C-6), 67.6 (C-14), 67.5 (C-13), 60.5 (C-24), 56.2 (C-25), 28.6 (C-18), 22.0 (C-21), 19.1 (C-23), 14.0 (C-20), 13.9 (C-22), 12.8 (C-19), 10.8 (C-17), 10.4 (C-16)。結合以上數據與參考文獻[15]中的數據進行比對,確定化合物1為methyl penicyrone。

化合物2:無色油狀。[α]25D+3.0 (c 0.1, MeOH);ECD (c 2.30 × 10-3 M, MeOH) λmax (Δε) 298 (+7.23), 213 (-19.25) nm。根據ESI-MS顯示離子峰m/z 435.2 [M+H]+,結合1H NMR和13C NMR譜圖數據推測其分子式為C24H34O7,顯示有8個不飽和度。1H NMR (500 MHz, CDCl3) δH: 5.90 (1H, s, H-7), 5.70 (1H, s, H-11), 4.30 (1H, s, H-9), 4.10 (1H, q, J=6.9 Hz, H-15), 3.80 (3H, s, H3-24), 3.43 (1H, s, H-13), 2.05 (3H, s, H3-17), 2.04 (3H, s, H3-16), 1.70 (3H, s, H3-18), 1.69 (3H, d, J=3.2 Hz, H3-20), 1.44 (3H, s, H3-22), 1.40 (3H, s, H3-19), 1.37 (3H, s, H3-21), 1.13 (3H, t, J=6.4 Hz, H3-23)。13C NMR (125 MHz, CDCl3) δC: 169.1 (C-3), 165.0 (C-1), 160.0 (C-5), 138.2 (C-10), 137.6 (C-8), 131.9 (C-7), 130.1 (C-11), 110.6 (C-4), 110.4 (C-2), 81.6 (C-9), 80.1 (C-12), 76.8 (C-15), 74.3 (C-6), 67.6 (C-14), 67.5 (C-13), 60.5 (C-24), 28.8 (C-18), 21.9 (C-21), 19.1 (C-23), 14.1 (C-22), 13.9 (C-20), 12.9 (C-19), 10.8 (C-16), 10.4 (C-17)。綜上數據與參考文獻[15]比對,發現化合物2與化合物1屬同系物,不同的是9位的氧甲基(9-OCH3)變成了羥基(9-OH),由此確定化合物2為penicyrone。

化合物3:淡黃色油狀。[α]25D+6.0 (c 0.1, MeOH);ECD (c 2.40 × 10-3 M, MeOH) λmax (Δε) 294 (+8.62), 210 (-12.03) nm。根據ESI-MS顯示離子峰m/z 417.2 [M+H]+,結合1H NMR和13C NMR譜圖數據推測其分子式為C24H32O6,顯示有9個不飽和度。1H NMR (500 MHz, CDCl3) δH: 5.85 (1H, s, H-9), 5.46 (1H, s, H-11), 4.10 (1H, q, J=6.7 Hz, H-15), 3.82 (3H, s, H3-24), 3.47 (1H, s, H-7), 3.42 (1H, s, H-13), 2.03 (3H, s, H3-16), 2.03 (3H, s, H3-17), 1.94 (3H, s, H3-20), 1.89 (3H, s, H3-19), 1.46 (3H, s, H3-22), 1.41 (3H, s, H3-21), 1.40 (3H, s, H3-18), 1.18 (3H, d, J=6.8 Hz, H3-23)。13C NMR (125 MHz, CDCl3) δC: 168.0 (C-3), 165.2 (C-1), 156.1 (C-5), 133.2 (C-11), 131.4 (C-9), 128.0 (C-8, C-10), 111.2 (C-4), 110.6 (C-2), 80.1 (C-12), 76.8 (C-15), 67.5 (C-13, C-14), 64.8 (C-7), 60.8 (C-6), 60.5 (C-24), 22.0 (C-21), 18.9 (C-23), 18.6 (C-20), 15.8 (C-18), 15.4 (C-19), 13.9 (C-22), 10.5 (C-16), 9.3 (C-17)。將該數據與參考文獻[16]進行比對,確定化合物3為verrucosidin。

化合物4:淡黃色油狀。[α]25D -7.0 (c 0.1, MeOH);ECD (c 5.00 × 10-4 M, MeOH) λmax (Δε) 257 (+0.18), 208 (-1.46) nm。根據ESI-MS顯示離子峰m/z 401.2 [M+H]+,結合1H NMR和13C NMR譜圖數據推測其分子式為C24H32O5,顯示有9個不飽和度。1H NMR (500 MHz, CDCl3) δH: 6.08 (1H, s, H-7), 5.86 (1H, s, H-9), 5.51 (1H, s, H-11), 4.13 (1H, q, J=7.0 Hz, H-15), 3.83 (3H, s, H3-24), 3.45 (1H, s, H-13), 2.07 (3H, d, J=1.2 Hz, H3-18), 2.06 (3H, s, H3-16), 2.01 (3H, s, H3-17), 1.97 (3H, br s, H3-19), 1.97 (3H, br s, H3-20), 1.48 (3H, s, H3-22), 1.44 (3H, s, H3-21), 1.21 (3H, d, J=6.8 Hz, H3-23)。13C NMR (125 MHz, CDCl3) δC: 168.7 (C-3), 165.7 (C-1), 159.5 (C-5), 139.2 (C-7), 136.4 (C-9), 135.1 (C-8), 133.6 (C-11), 132.2 (C-10), 127.6 (C-6), 109.2 (C-4), 110.3 (C-2), 80.3 (C-12), 77.4 (C-15), 67.6 (C-13, C-14), 60.2 (C-24), 22.1 (C-21), 19.0 (C-23), 18.8 (C-19), 18.6 (C-20), 16.8 (C-18), 14.0 (C-22), 12.1 (C-17), 10.4 (C-16)。綜上數據與參考文獻[17]比對,發現化合物4與化合物3比較相似,不同之處在于化合物3中6~7位的環氧環在化合物4中轉變為了6~7位的雙鍵。由此確定化合物4為deoxyverrucosidin。

化合物5:棕色油狀。[α]25D 0.0 (c 0.1, MeOH)。根據ESI-MS顯示離子峰m/z 319.2 [M+H]+,結合1H NMR和13C NMR譜圖數據推測其分子式為C17H18O6,顯示有9個不飽和度。1H NMR (500 MHz, CDCl3) δH: 6.36 (1H, s, H-9), 6.02 (1H, s, H-3), 3.85 (3H, s, H3-13), 3.84 (3H, s, H3-17), 3.76 (3H, s, H3-16), 1.96 (3H, s, H3-15), 1.88 (3H, s, H3-14)。13C NMR (125 MHz, CDCl3) δC: 186.5 (C-4), 182.6 (C-1), 158.8 (C-2), 153.7 (C-10), 148.6 (C-8), 143.0 (C-6), 141.6 (C-11), 140.9 (C-5), 131.1 (C-12), 112.7 (C-7), 107.8 (C-3), 98.8 (C-9), 60.6 (C-16), 56.4 (C-13), 55.8 (C-17), 13.6 (C-14), 13.4 (C-15)。綜上數據與參考文獻[18]比對,確定化合物5為peniquinone A。

化合物6:無色針狀晶體。[α]25D -8.0 (c 0.1, MeOH);ECD (c 4.54×10-3 M, MeOH) λmax (Δε) 245 (+1.12) nm。根據ESI-MS顯示離子峰m/z 221.2 [M+H]+,結合1H NMR和13C NMR譜圖數據推測其分子式為C12H12O4,顯示有7個不飽和度。1H NMR (500 MHz, CDCl3) δH: 8.00 (2H, dt, J = 9.6, 2.8 Hz, H-2, H-6), 7.00 (2H, dt, J = 9.7, 2.9 Hz, H-3, H-5), 4.79 (1H, t, J = 4.0 Hz, H-10), 4.17 (2H, ddd, J = 9.6, 6.9, 3.6 Hz, H2-9), 3.90 (3H, s, H3-8), 2.55 (1H, d, J = 2.3 Hz, H-12)。13C-NMR (125 MHz, CDCl3) δC: 166.7 (C-7), 161.8 (C-4), 131.7 (C-2, C-6), 123.4 (C-1), 114.3 (C-3, C-5), 80.7 (C-11), 74.7 (C-12), 71.3 (C-9), 61.1 (C-10), 52.0 (C-8)。將上述數據與參考文獻[19]比對,確定化合物6為penipratynolene。

2.3 抗菌活性結果

使用肉湯微量稀釋法對得到的化合物1~6進行體外抗菌活性測試。實驗結果表明,化合物3和4對幽門螺桿菌H. pylori G27和三重耐藥菌H. pylori BHKS159的生長表現出中等程度的抑制活性:對于菌株H. pylori G27,化合物3和4的MIC值均為8 μg/mL,陽性對照甲硝唑的MIC值為2 μg/mL;而對于三重耐藥菌H. pylori BHKS159,化合物3和4的MIC值分別為8和4 μg/mL,陽性對照甲硝唑的MIC值為32 μg/mL。此外,化合物5對野油菜黃單孢菌X. campestris pv. campestris、青枯雷爾菌R. solanacearum、枯草芽胞桿菌B. subtilis以及恥垢分枝桿菌M. smegmatis均具有一定程度的抑菌活性,MIC值均為64 μg/mL,陽性對照萬古霉素的MIC值分別為8、1、2和8 μg/mL。其余化合物對被試菌株均未表現出明顯的抑菌活性。

3 討論與結論

本研究從海洋真菌Penicillium sp. LW23的發酵提取物中分離鑒定了6個化合物,包括4個verrucosidin類的聚酮化合物(1~4),1個苯醌類化合物(5)以及1個苯甲酸甲酯衍生物(6)。據文獻報道,化合物3和4對人宮頸癌細胞(HeLa)、人乳腺癌細胞株MDA-MB-231和MCF-7、人胃癌細胞MGC-803、人非小細胞肺癌細胞株A-549均具有一定的抗增殖活性,其IC50值在1.14~6.37 μmol/L[20];文獻報道化合物5對人乳腺癌細胞株MCF-7、人神經膠質瘤細胞株U87和人前列腺癌細胞株具有一定的抗增殖活性,其IC50值在9.01~14.59 μmol/L[18];文獻報道化合物6具有一定的殺線蟲活性,LD50值為10~30 mg/L[19]。本研究首次報道了化合物3和4對幽門螺桿菌H. pylori G27和三重耐藥幽門螺桿菌H. pylori BHKS159均具有較強的抑制作用,同時也首次報道了化合物5對野油菜黃單孢菌、青枯雷爾菌、枯草芽胞桿菌和恥垢分枝桿菌的抑菌活性。本研究進一步豐富了海洋來源青霉屬真菌的次級代謝產物庫,同時也為新型抗生素的研發提供了一定的參考。

參 考 文 獻

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