Revolucion genetica y biotecnologica

Revolución genética y biotecnológica

1. La herencia está en los genes 2. Los genes 3. ADN

• Estructura y función del ADN • Duplicación del ADN • Dogma central de la biología molecular

4. Ingeniería genética y biotecnología • Clonación de genes • Fabricación de proteínas • Organismos transgénicos • Secuenciación del genoma • Células madre • Clonación de seres vivos • Terapia génica • Reproducción asistida • Aplicaciones en medicina forense • Diagnóstico prenatal

Laherenciaestáenlosgenes

Losseresvivossoncapacesdereproducirseytransmitirsuscaracteresasudescendencia.Estoscaracteresavecesnosetransmitenexactamente,haciendoquelosindividuosdeladescedenciatenganunaciertavariabilidad.Estaspequeñasdiferenciaslespermiteadaptarsealosdiferentesambientes,generandoasílaevolucióndelasespeciesporselecciónnatural.

LateoríaevolutivapropuestaporDarwinsebasaenquelosindividuosdeunamismaespeciecompitenporadaptarsealentornoenfuncióndesudiversidad.SinembargoDarwindesconocíaelmecanismoporelcualsurgíaestadiversidad.

Darwin

UnadelasclavesparacomprenderestemecanismolahabíadadoMendelen1865,unosañosdespuésdequeDarwinpublicarasuobra.SinembargoestetrabajodeMendelfueolvidadoyredescubiertoen1900.


GregorMendeleraunmonjeagustinoquecultivandoguisantesensuhuertohabíadescubiertoqueloscaracteresdelosprogenitoresseheredanindividualmente,nosemezclan.Conlosresultadosdeloscruzamientosdeplantasenunciótresleyes.

1ªLey(leydehomogeneidad):sicruzamosunaplantadeguisantesverdespurosconotradeamarillospuros,laprimerageneracióndeguisantesesamarilla,yaqueelamarillodominasobreelverde.

2ªLey:sicruzamosplantasdeestaprimerageneraciónfilial(F1),enlasegundageneración(F2)vuelvenaaparecerguisantesverdespurosenun25%..Portantoloscaracteresverdeyamarillonosemezclansinoquesetransmitenporseparado,aunquenosemanifiesten.Elcaracterverdeseconservóalolargode2generaciones,comosisetratasedeunapartículamaterialquesevatransmitiendodecélulasmadreacélulashijas.

AA


3ªley:sianalizamosdoscaracteresdelosguisantescomoelcolor(amarillooverde)ylarugosidad(lisoorugoso),cruzandoplantasamarillaslisaspurasconplantasverdesrugosaspuras,tantoenlaprimerageneraciónfilialcomoenlasegunda,seobtienenresultadosigualesparacadacarácter,quesianalizáramoscadacarácterporseparado.EnF2siguehabiendoun25%deplantasverdesyun25%deplantasrugosas.Portantoloscaracteressetransmitendeformaindependiente,comosilainformacióndecadacarácterestuvieseenunapartículadiferente.


HoyendíallamamosGENESalas“unidadesdeherencia”descubiertasporMendel.ElGENOMAeselconjuntodelosgenesdeunorganismo.

• FENOTIPO:eselaspecto,laformaenquesemanifiestanlosgenes.• GENOTIPO:sonlosgenesqueposeeelindividuoparaundeterminadocaracter,tantosisemanifiestancomosino.

Paracadacarácterhaydosgenes:unodelpadreyotrodelamadre.Esoscaracterespuedenmanifestarseono.

• GENDOMINANTE:esungenquesemanifiestasiempre• GENRECESIVO:esungenquesepuedeportarsinquesemanifieste;sólosemanifiestasiseportaenlasdoscopias,lasheredadasdelpadreylamadre(esloqueocurríaconelcolorverdedelosguisantes)

Lasdoscopiasquetenemosdecadagenpuedenserigualesono:• HOMOCIGOTO:esunindividuoquetienelasdoscopiasiguales.Porejemplo,elguisanteamarilloparentaldeantes,eshomocigotoparaelcoloramarillo(AA)• HETEROCIGOTO:esaquelindividuoquetienelasdoscopiasdistintas.Porejemplo,losguisantesamarillosdelaprimerageneracióndehijos,sonheterocigotosporquellevanunacopiadelgenamarilloyotradelverde(Aa),aunqueexpresanelcoloramarillo,porqueeseldominante


Otroejemplomásconocidoeseldelaherenciadelcolordelosojos.Elgenmarrón(M)esdominante,mientrasqueelazul(a)esrecesivo.Sisecruzandosindividuos,unomarrónpuroyotroazulpuro,sushijostendránlosojosmarrones,peroportanelgendelcolorazul(a).

Siluego,dosindividuosdeojosmarrones,peroqueportanelgendelcolorazulsecruza,el25%desudescendenciaseráazulpuro,yelcolorazulsemanifestarádenuevo.

Losgenes

AprincipiosdelSXXyasedenominabagenalaunidaddeinformaciónhereditaria,esdecir,quecontrolaundeterminadocarácter.Sinembargosedesconocíasunaturalezaquímica,yelmecanismoporelquesetransmitía.

En1944,Avery,McLeodyMacCarty,descubrieronquelosgenesestánformadosporADN.ElADNyasesabíaqueeraunasustanciaqueseencontrabaenelnúcleodelascélulas.

Membranacelular

Citosoplasma(orgánulos)

Núcleo

Losgenes

ElADNestáenelnúcleodelacélulaylamayorpartedeltiemposeencuentraaparentementedesorganizado,consuslargosfilamentosmezclados.EnestaformaselellamaCROMATINA:

DuranteladivisióncelularelADNformalosCROMOSOMAS.LoscromosomassonlarguísimasmoléculasdeADNenrrolladoyempaquetadoformandounfilamento

Enestaimagenserepresentandoscromosomasunidosporelcentro.

Losgenes

Losgenessontrozosdecromosomas,esdecir,segmentosdelalargacadenadeADN,quecontienenlainformacióngenéticaparaproducirunaproteína.Estaproteínaeslaquedeterminaelcarácterquesehereda,porejemploelcolordelosojos,unaenfermedadcongénita,etc.Portantoelconjuntodegenesqueposeeunindividuodeterminaelconjuntodeproteínasquefabricaránsuscélulas.Elgenomahumanoestáformadoporunos35000genes.

Proteína1

Proteína2

Losgenes

Loshumanosposeemos23paresdecromosomas,delosqueunodeelloseselparsexual(XXparalasmujeresyXYparaloshombres).

Cariotipodemujer:esunamicrofotografíadelos23paresdecromosomas.Elpar23estáformadopordoscromosomasXiguales.

Losgenes

Esdecir,todasnuestrascélulastienenunadotacióngenéticadoble,aexcepcióndelosgametos:tantolosóvuloscomolosespermatozoidesposeensólo23comosomasindividuales.Así,cuandosefusionandurantelafecundación,generanunnuevoindividuocon23parejasdecromosomas.

Portantotenemos2copiasdecadagen:unacopiaheredadadelamadreylaotradelpadre.

ElADN

Composiciónyestructura

Esunabiomoléculadelafamiliadelosácidosnucleicos.Estáformadapordoslargascadenaspoliméricasqueformanunadoblehélice.Cadacadenaestáformadaporunasecuenciadenucleótidos,quepuedenserdecuatrotipos: Adenina(A) Guanina(G) Timina(T) Citosina(C)

LasdoscadenasestánunidasdemaneraquequedenemparejadasA‐TyC–G.

Existenotrostiposdeácidosnucleicos,comoelARN,queestáformadoporunasolacadena,yenlugardeTtieneotronucleótidollamadoUracilo(U)

Watson,Crick,WilkinsyFranklin

ElADN

ElADNtieneunadoblecadenaformadapormoléculasdedesoxirribosaunidasatravésdefosfatos.LosnucleótidosA,T,G,Cvanunidosaladesoxirribosayquedancolocadosentrelasdoscadenasuniéndolas.

Launióndeambascadenasescomplementaria,esdecir,lasAsiemprevanunidasconlasTylasCconlasG.

EstacomplementariedadsedebeaquelaAylaTencajanperfectamenteformando2puentesdeHentreellas,mientrasquelaGyCencajandeformadiferente,formando3puentesdeHquelasmantieneunidas.Asípues,lacomplementariedaddelasdoshebrasresideenlospuentesdeHquesepuedenformarencadapareja.

(1ºAyBsólo)

ElADN

DuplicacióndelADN

Lasecuenciadenucleótidosdelasdoscadenasson“iguales”yaquesoncomplementarias.Estasecuenciaeslaquecontienelainformacióngenéticadelindividuo,ycadavezqueunacélulasedivideendoscélulashijas,debehacerunacopiaexactadelADNpararepartirseenambascélulashijas.

Elprocesodeduplicaciónoreplicacióntienelugarenelnúcleodelacélula:

• Ladoblecadenasesepara• Cadacadenasirvedemoldeparalasíntesisdedosnuevascadenascomplementarias,quequedanunidasalascadenasmadre.• LascadenashijassesintetizandemodoqueseemparejeA–TyC–G.

ElADN

DogmacentraldelaBiologíaMolecular

LafuncióndelosgenesyelADNesconservarytransmitirlainformacióngenéticaaladescendencia.Paratransmitirla,yahemosvistoquedebeduplicarseelADN.

Pero¿quéclasedeinformacióneslaquecontienenlosgenes?Cadagencontienelasinstruccionesparafabricarunaproteína,ylasproteínassonlasquerealizantodoeltrabajodentrodenuestrascélulas.Porejemplo:• lahemoglobinaeslaproteínaquetransportaeloxígenoenlasangre• Losenzimassonproteínasquerealizanreaccionesquímicasdelmetabolismo,comolaamilasa• Otrasproteínasrealizanfuncionesestructurales,comolaactinaenlosmúsculos,laqueratinaenlapiel…

ParaquelainformacióngenéticadelADNsetraduzcaenproteínasserealizaunprocesoenelinteriordelacélulaqueconstadedospasos,ysedenominaDogmaCentraldelaBiologíaMolecular.

ElADN

• Transcripción:enprimerlugarelADNseabreyapartirdeunadelascadenas,sesintetizaunacadenadeARN,quecomovimos,eraunácidonucleicodeunasolacadena.

• Traducción:acontinuación,apartirdelasecuenciadelARNvanacoplandodeformacomplementaria,aminoácidosquesonlassubunidadesqueformanlasproteínas.Cada3nucleótidosseacoplaunaminoácido,segúnuncódigo,llamadoCódigoGenético.Porejemplo,lasecuenciaUUUdelARNseacoplaconelaminoácidoFenilalanina.

ElADN

Elcódigogenéticoeslaequivalenciaentrecadatripletedenucleótidosyunaminoácido.Estacorrespondenciaeslaclavequepermiteinterpretarlainformaciónquecontienenlosgenesparaquelacélulapuedasintetizarlasecuenciacorrectadeunaproteína.Ademásdeestacorrespondencia,eltripleteATG(queenelARNseríaAUG),queequivalealaminoácidometionina,indicaeliniciodecadagen.YlostripletesTAA,TAG,TGA(queenelARNseríaUAA,UAG,UGA)marcanelfinaldeungen,dondeelribosomasesoltaríayacabaríalasíntesisdelaproteína.

Obsérvesequeenestecódigo,variostripletespuedencodificarelmismoaminoácido.Esloquesellamaladegeneracióndecódigogenético.

ElADN

Replicación

Transcripción

Traducción

IngenieríagenéticayBiotecnología

LaBiotecnologíaconsisteenelempleodeorganismosbiológicos,especialmenteaquellosgenéticamentemodificados,pararealizarprocesosindustrialesrelacionadosporejemploconlaalimentación.Porejemplolaproduccióndequeso,yogur,…olaproduccióndemedicamentosolaagriculturadecultivostransgénicos.

LaIngenieríaGenéticaoTecnologíadelADN,eselconjuntodetécnicasquepermitenmodificarelADNdeunorganismooañadirleaunorganismounADNdeotraespecie.

• OrganismosModificadosGenéticamente(OMG)sonaquellosobtenidosporingenieríagenética,incluyendolosobtenidosporcruzamientosclásicos.

• OrganismostransgénicossonOMGalosqueademásseleshaintroducidounoovariosgenesdeotraespecie.


HerramientasdelaIngenieríagenética

ParamanipularelADNypodercortarlosgenesqueinteresanypegarlosdentrodeotramoléculadeADN,seutilizanunasproteínasconfuncionesespeciales:

• Enzimasderestricción:cortanlascadenasdeADNensitiosespecíficos.• Ligasa:peganlasmoléculasdeADN

EshabitualusarbacteriasparatrabajarconelADN,yparaelloseutilizancromosomasbacterianosquesellamanPlásmidos,quesonpequeñasmoléculasdeADNcirculares.


TécnicasdeIngenieríagenética:clonacióndegenes

Paraseleccionarungenquenosinteresaeintroducirloenelplásmidodeunabacteria,yasímanipularloposteriormente,desiguenlossiguientespasos,agrandesrasgos:

• Cortarelgenquenosinteresayelplásmido,conunezimaderestricción• Pegarloconligasa

ElADNasíobtenidosellamaADNrecombinante,porqueesunafusióndeADNsdedistintoorigen.

Losplásmidosdelasbacteriassuelenllevarincorporadosgenesquepermitenalabacteriaresistiralosantibióticos.

ParaclonareseADNrecombinante,esdecir,obtenermuchascopiasdeél,lointroducimosenunabacteriayleañadimosantibiótico.Así,enesemediodecultivosólocreceránlasbacteriasquetenganelplásmido,yaqueseránlasúnicasquetenganresistenciaalantibiótico.


ADNrecombinante


Produccióndeproteínasrecombinantes

EstafueunadelasprimerasaplicacionesdelaBiotecnología.Permitióobtenergrandescantidadesdeproteínashumanasparatratamientosmédicos,queanteseramuydifícilconseguir.Eselcasodelainsulinaparaladiabetes,queantesseteníaqueobtenerdeanimales(cerdosyvacas)ysuobtenciónypurificacióneralargaycostosa.

Labiotecnologíahapermitidointroducirelgendelainsulinahumanaenmicroorganismosquelaproducenmuchomásrápidoysupurificaciónesmuchomássencillaybarata.

Paraello:• seclonaelgendelaproteínadeinterés,comosevióenelapartadoanterior• Secultivanlasbacteriasenmediosdecultivoagranescala• Lasbacteriasfabricanlaproteínaylaexpulsanalmediodecultivo• Sepurificalaproteínadesdeelmediodecultivo.

Estemétodoseempleahoyendíaparaobtenerinsulina,interferón,hormonadecrecimiento,vacunas,productoparahacerdetergentes…


Organismostransgénicos

Sonaquellosqueseobtienenmediantelaincorporacióndeunoovariosgenesextraños.Deestamaneraseobtieneunamejoragenéticadelorganismograciasaesegenqueaportaalgunacualidadextra.

• Enagricultura,porejemplo,sepuedenincorporargenesqueconfieranalasplantasresistenciaaciertasplagas,aherbicidasfuertes,asequíasoalasalinidaddelterreno,oqueaportencualidadesnutritivas.Losalimentostransgénicosseobtienendecultivosdeplantastransgénicas.Tambiénhaycultivosparaproducirbiogásobiodiesel.

TomateFlavrSavr:está Ratónqueproduce modificadopara unaproteínaverde quealmadurarnose fluorescente ablandeyestropee.

• Enganadería,noseutilizanestastécnicasparaobteneranimalesparaconsumohumano,sinoquelosanimalestransgénicosseempleanparaestudiosbiológicos,investigacióndeenfermedades,ensayosdemedicamentos,etc.


• Tambiénsehanobtenidomicroorganismosdestinadosareducirelimpactodelaactividadhumana,paraeltratamientodeaguasresiduales,laeliminacióndelpetróleodelasmareasnegrasolaeliminacióndemetalespesadoscomoelplomooelmercurio.

Efectosnegativosdelostransgénicos:

• Ecológicos:avecesocasionanimpactoecológicoalhibridarseconlasplantassilvestres.Porotraparte,losmonocultivosdetransgénicosdisminuyenlabiodiversidadyesotieneungranimpartoenelequilibriodelosecosistemas.

• Sanitarios:ExistepreocupaciónsobresilaingestadelADNbacterianopuedeteneralgúnefecto.Porejemplo,elADNrecombinantellevabaungenderesistenciaaantibióticos,quepodríarepercutirenquelosconsumidoresadquieranresistenciaaesosantibióticos,aunqueesonohasidodemostrado.

• Sociales:Loscultivosdetransgénicosseutilizansobretodoenpaísesdesarrollados.Además,alestarpatentados,losproductoresdebenpagartasasaltitulardelapatenteparautilizarlos.


SecuenciacióndelGenoma

Enelaño1990,científicosnorteamericanosencabezadosporJamesWatsonacuerdaniniciarunproyectoagranescalaconelfindeconocerlasecuenciadetodosloscromosomashumanos.ParaellocolaboraránmuchosgruposdevariospaísescomoEEUU,Canadá,GranBretaña,NuevaZelanda…Setratadeunproyectofinanciadoconfondospúblicosycuyafechadefinalizaciónes2005.

Enelaño1998,laempresaCeleraGenomicsiniciaelmismoproyectodeformaprivada,conlaintencióndepatentargenesyvenderlosaempresasfarmacéuticas,iniciandoasíunaduracarreraentreambosproyectosporacabarprimero.

Finalmente,elconsorciopúblicoterminaantes,presentandosusresultadosprovisionalesenelaño2000.


AplicacionesdelProyectoGenoma

Humano

Conocimientoporsímismo

Estudiodeenfermedadesgenéticasysusmecanismos

Diagnósticodeenfermedades

Presintomático:antesdequesemanifiestenlos

síntomas

Prenatal:antesdelnacimientodelfeto,medianteamniocentesis

Preimplantacional:permiteseleccionarlosembrionessanos

antesdeunafecundacióninvitro

TerapiagénicaTerapiaFarmacológica:

permitediseñartratamientosamedidaparacadaenfermo


Elconocimientoderivadodelproyecto,suponeungranavanceenelconocimientodelosmecanismodeciertasenfermedadesasícomoensudiagnóstico,muchomásrápidoyfiable.Peroporotraparte,elconocimientodelgenomadeunindividuopuedegenerarproblemaséticosyaquepuedevulnerarlaprivacidaddeesapersonaypuededarlugaraproblemasdiscriminatorios.

Sehacenecesarioregularloqueeséticoonoinvestigar,demaneraqueserespetenlosDerechosHumano,sinfrenarelavancedelainvestigación.

ConestepropósitoseelaborólaDeclaraciónUniversalsobreelGenomaHumanoylosDerechosHumanosdelaUNESCO,queprohibeporejemplo,laclonacióndesereshumanos.


Diagnósticoprenatal

Estatécnicaconsisteenextraercélulasdelembriónmediantelatécnicadeamniocentesisyanalizarsuscromosomasparadetectarenprimerlugarproblemasenloscromosomas,comoSíndromedeDown.Ademássepuedenanalizargenesconcretosbuscandoenfermedadesgenéticasquepuedantenerlasfamilias.

LaamniocentesissuponeunciertoriesgodeabortoyrecientementeseestáestudiandolapresenciadeADNdelembriónenlasangrematerna,locualevitaríalaamniocentesis


Terapiagénica Hayalgunasenfermedadesgenéticasqueseproducenporlamutaciónenungen,queafectaauntipodecélulasynoatodoelorganismo.Paraestasenfermedadessepuedeextraerlascélulasafectadas,introducirleselgensinlamutación,yvolveraimplantaresascélulasenelorganismo,demaneraquesustituyanalascélulasenfermas.Estosehizoporprimeravezenlos90conunaniñaquesufríaunainmunodeficienciasevera,quelehacíacontraerinfeccionescontinuamente,poniendoengravepeligrosuvida.


Célulasmadre

Lamayorpartedelascélulasdenuestroorganismoformanpartedelostejidos,yestánespecializadaspararealizarlasfuncionespropiasdedichotejido.Decimosqueestá“diferenciadas”.


• Sinembargotodosesostiposdecélulasseoriginanapartirdemuypocascélulasenelembrión.Esascélulasdelembriónquenoestándifereciadasyquepuedendarlugaratodoslostiposcelularesdeladulto,sellamancélulasmadreembrionarias.

Estascélulassepuedenusarpararegenerartejidoscomopielencasodeheridasograndesquemaduras.TambiénpodríausarseenelAlzheimer,Parkinsonyotrasenfermedadesenquelascélulasdeterioradassepuedensustituirconcélulassanas.Tambiénpararegenerarórganoscompletosapartirdematrices,aptosparaautotransplantes.

Fuentesdecélulasmadre

Embrionarias

Puedenregenerarcualquiertipodecélula

Nosepuedenusarporproblemaséticos:provienendeembriones

humanos,yéstosnopuedenusarsecomomeroinstrumento.

Excepción:lasdelcordónumbilical

Adultas Puedenregeneraralgunostiposdecélulas

Noplanteanproblemaséticos


Clonacióndeorganismos

Laclonaciónesunatécnicaquepermitehacerunacopiaidénticagenéticamentedeunindividuo.Losgemelossonclonesnaturalesyaquetienenunadotacióngenéticaidéntica.Paraconseguirunacopiaidénticadeunindividuo:

• Seextraeelnúcleocelulardeunadesuscélulassomáticas(decualquiertejido)• Seintroduceelnúcleoenunóvulodeotroindividuo• Lacélulahíbridaseimplantaenelúterodeunahembraparaquesedesarrolleelembrión

LaprimeravezqueseconsiguióclonarunanimalfueconlaovejaDolly.Desdeentoncessehaconseguidoconotrosanimales.Noestápermitidalaclonacióndehumanosniconfinesterapéuticos(paraobtenercélulasmadre)niconfinesreproductivos


Reproducciónasistida

Sonunaseriedetécnicasencaminadasalaconcepcióndeunhijocuandonoesposiblepormétodosnaturales.Hayvariastécnicasqueseempleansegúncuálseaelproblemaqueimpidelafecundación.

1. Induccióndelaovulación:estimulacióndelaovulaciónmediantemedicamentos.2. Inseminaciónartificial:introducirespermatozoides(delcónyugeodeundonante)en

elúterodelamujerjustocuandoseliberaelóvulo.3. Fecundacióninvitro:extraccióndelosóvulosdelamujeryfertilizaciónenel

laboratorioconespermatozoides.Detodoslosembrionesfecundadosseimplantanenelútero2o3paraaumentarlasprobabilidadesdeéxito.

4. Microinyecciónespermática:esparecidaalaanterior,peroelóvulosefecundaintroduciéndoleunespermatozoidemediantemicroinyección.Elembriónsecultivavariosdíasenellaboratorioyluegoseimplantaenelútero.Estatécnicatienemásporcentajedeéxitoquelafecundacióninvitro.


Fecundacióninvitro Microinyecciónespermática

Siesnecesario,sepuedenrealizaranálisisgenéticosenestosembrionesantesdeserimplantadosparaevitarqueelfuturobebéheredeunaenfermedadgrave,delacualsuspadressonportadores.Recientementehanacidounniñoquefueseleccionadoparaevitarquenacieseconfibrosisquística,unagraveenfermedadquesuspadresportaban.


Identificacióngenética

ElADNdetodosloshumanosesprácticamenteidéntico,peroexistenunaspequeñasdiferenciasquesonúnicasencadaindividuoypermitenidentificarlo.Sonlashuellasgenéticas.

LamitaddelADNdelgenomahumanoesnocodificanteydeéste,lamitadesrepetitivo.Asuvez,lamitaddeéste,loformansecuenciasrepetidasdemásde500nucleótidosylaotramitadeselADNrepetidoentandem,quesegúnlalongituddelasecuenciaqueserepitessellamansatélites,minisatélitesomicrosatélites,formadospor15a20nucleótidosquesepuedenrepetirde200a1.400veces.

Estasrepeticionessonmuyvariablesdeunoaotroindividuo,poresolaspruebasbasadasenlarepeticióndelostandemdeunasecuenciaproporcionanunahuellagenéticaespecíficamenteindividualmuyútilenelanálisisdematerialesdiversos.

Laprobabilidaddequehayadoshuellasigualesesde1/6.300.000.000.Poresosediceconrazónhuellagenéticacomosedicehuelladactilaralosdibujosdelasyemasdelosdedosquetambiénsonespecíficasdecadapersona.

Estapruebasepuedeaplicaralaidentificacióndeuncadáver,enmedicinaforense,oaprobarlaculpabilidaddeunsospechosodeuncrimen.Tambiénsehaestudiadoestahuellagenéticaparaconocerlasmigracionesdeloshumanosdurantelaprehistoria.

HitosdelagenéticaylabiotecnologíadesdelostrabajosdeMendelhastalaactualidad.LazonaampliadaconlassiglasHGPserefierea“HumanGenomeProject”.

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