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論文

A Biologically based mathematical model for spontaneous and ionizing radiation cataractogenesis

坂下 哲哉*; 佐藤 達彦; 浜田 信行*

PLOS ONE (Internet), 14(8), p.e0221579_1 - e0221579_20, 2019/08

放射線被ばくに起因する白内障発症をより確実に防ぐため、国際放射線防護委員会は眼の水晶体線量限度値の引き下げを提案している。しかしながら、白内障発症のメカニズムや線量応答は明らかになっていない。そこで本研究では、個々の細胞動態に基づいて白内障発症率を計算する数理モデルを開発し、そのモデルで使用するパラメータを白内障自然発症に対する疫学データから決定した。そして、決定したパラメータを用いて、放射線被ばくに起因する白内障発症率の線量応答関数を推定した。本モデルは、今後、白内障に対する放射線防護指針を改訂する際、極めて有用となる。

論文

Root-endophytic Chaetomium cupreum chemically enhances aluminium tolerance in $$Miscanthus sinensis$$ via increasing the aluminium detoxicants, chlorogenic acid and oosporein

春間 俊克*; 山路 恵子*; 小川 和義*; 升屋 勇人*; 関根 由莉奈; 香西 直文

PLOS ONE (Internet), 14(2), p.e0212644_1 - e0212644_16, 2019/02

 パーセンタイル:100(Multidisciplinary Sciences)

すすきは鉱山跡地に生える先駆植物である。すすきは、植物性シデロフォアを生産することによって、鉱山跡地の有害元素であるAlを無毒化する。すすきの根に内生する微生物であるC. cupreumは、シデロフォアを生産することによってすすきのAl耐性を向上させる。われわれは、C. cupreumが生産するシデロフォアがoosporeinであると同定した。oosporeinがAlを無毒化することを明らかにした。C. cupreumを無菌状態のすすきに接種すると、芽の生長が促進され、Al耐性が向上した。

論文

Electron-tracking Compton camera imaging of technetium-95m

初川 雄一*; 早川 岳人*; 塚田 和明; 橋本 和幸*; 佐藤 哲也; 浅井 雅人; 豊嶋 厚史; 谷森 達*; 園田 真也*; 株木 重人*; et al.

PLOS ONE (Internet), 13(12), p.e0208909_1 - e0208909_12, 2018/12

 パーセンタイル:100(Multidisciplinary Sciences)

電子飛跡検出型コンプトンカメラ(ETCC)を用いて放射性同位元素$$^{95m}$$Tcの画像撮像を実施した。$$^{95m}$$Tcは、204, 582, 835keVの3本の$$gamma$$線を放出し、濃縮同位体$$^{95}$$Moを用いて$$^{95}$$Mo(p,n)$$^{95m}$$Tc反応で合成される。濃縮$$^{95}$$Mo同位体三酸化物の再利用について実験を実施し、再生率70$$sim$$90%を達成した。画像は3本の$$gamma$$線それぞれを用いて解析し取得した。その結果、$$gamma$$線エネルギーが高いほど空間分解能が向上することが判り、$$^{95m}$$Tcのような高エネルギー$$gamma$$線放出核を利用することで、ETCCが人体の深部の組織や器官の医療画像撮像に有効であることを示唆する結果を得た。

論文

Analysis of scintillation light intensity by microscopic radiation transport calculation and F$"{o}$rster quenching model

小川 達彦; 八巻 徹也*; 佐藤 達彦

PLOS ONE (Internet), 13(8), p.e0202011_1 - e0202011_19, 2018/08

 パーセンタイル:100(Multidisciplinary Sciences)

シンチレータは、電子線, $$gamma$$線,陽子,重イオンなどの多様な種類の放射線を検知するために広く利用され、付与されたエネルギー量に応じた光を発する。シンチレータにおいては、エネルギー付与密度の高い重イオンのような粒子に対してはクエンチング現象が起こり、エネルギー付与量と比して発光が少なくなることが知られている。さらに、クエンチング現象は励起した蛍光分子が他の蛍光分子にエネルギーを受け渡すメカニズム(F$"{o}$rster効果)によって発生すると推測されている。そこで本研究では、様々なエネルギー・線種の放射線の照射を受けたシンチレータ内でのエネルギー付与を飛跡構造計算コードRITRACKSや汎用放射線輸送計算コードPHITSのT-SED機能により計算し、励起する蛍光分子の空間配置や量を予測した。この計算結果に基づき、各励起分子に対してF$"{o}$rster効果が発生する確率を計算し、励起した分子のうち発光する分子の数を計算した。その結果、電子入射の場合は入射エネルギーと発光量が比例するが、陽子入射の場合は入射エネルギーに対して発光量が非線形に増加し、特に低エネルギーの重イオンに対してはその非線形性がより強くなる実験値を正確に再現することができた。

論文

Analytical model for estimating the zenith angle dependence of terrestrial cosmic ray fluxes

佐藤 達彦

PLOS ONE (Internet), 11(8), p.e0160390_1 - e0160390_22, 2016/08

 被引用回数:11 パーセンタイル:31.31(Multidisciplinary Sciences)

大気圏内任意地点における角度微分宇宙線フラックスを瞬時に計算可能な解析モデルPARMA4.0を開発した。PARMA4.0は、これまでに開発したPARMA3.0に新しく提案した天頂角分布計算モデルを組み合わせたものであり、粒子・重イオン輸送計算コードPHITSを用いて実施した空気シャワーシミュレーション結果に基づいている。天頂角が大きい領域の地上レベルのミューオンの角度分布は、実験データに基づき導入した関数により決定する。PARMA4.0の精度については、実測データに基づいて様々な地上の条件で検証した。この拡張により、宇宙線検出器設計、ミューオンラジオグラフィー、宇宙線中性子を用いた地質分析など、PARMAモデルの応用範囲の拡張が期待できる。なお、PARMA4.0は宇宙線スペクトル計算システムEXPACSで利用が可能である。

論文

Dynamical behavior of human $$alpha$$-synuclein studied by quasielastic neutron scattering

藤原 悟; 荒木 克哉*; 松尾 龍人; 八木 寿梓*; 山田 武*; 柴田 薫; 望月 秀樹*

PLOS ONE (Internet), 11(4), p.e0151447_1 - e0151447_17, 2016/04

 被引用回数:13 パーセンタイル:20.45(Multidisciplinary Sciences)

Filamentous aggregates (amyloid fibrils) of the protein $$alpha$$-synuclein ($$alpha$$-Syn) are related to the pathogenesis of Parkinson's disease. To understand the pathogenesis mechanism of this disease, the mechanism of the amyloid fibril formation of $$alpha$$-Syn must be elucidated. As a first step toward this ultimate goal, dynamical behavior of $$alpha$$-Syn in the monomeric and the fibril states was investigated using quasielastic neutron scattering (QENS). Analysis of the QENS spectra of solution samples of $$alpha$$-Syn shows that diffusive global motions are observed in the monomeric state but largely suppressed in the fibril state. However, the amplitude of the side chain motion is shown to be larger in the fibril state than in the monomeric state. This implies that significant solvent space exists within the fibrils, which is attributed to the $$alpha$$-Syn molecules within the fibrils having a distribution of conformations. The larger amplitude of the side chain motion in the fibril state than in the monomeric state implies that the fibril state is entropically favorable.

論文

Analytical model for estimating terrestrial cosmic ray fluxes nearly anytime and anywhere in the world; Extension of PARMA/EXPACS

佐藤 達彦

PLOS ONE (Internet), 10(12), p.e0144679_1 - e0144679_33, 2015/12

 被引用回数:25 パーセンタイル:16.59(Multidisciplinary Sciences)

これまでに構築したモデルを拡張し、粒子・重イオン輸送計算コードPHITSをベースとした大気圏内宇宙線フラックス計算モデルPARMA version3.0を開発した。この開発により、大気圏内任意地点・時間における宇宙線由来の中性子・陽子・電荷が28までのイオン,ミューオン,電子,陽電子,光子フラックスを簡便に計算可能とした。また、PARMA3.0を宇宙線による被ばく線量や電離量評価などに応用し、様々な条件での測定値を精度よく再現できることを確認した。PARMA3.0は、オープンアクセスソフトウェアEXPACSに組み込まれ、誰でも簡単に使うことができる。このような特徴により、新しいバージョンのPARMA/EXPACSは放射線,地球惑星,宇宙線科学など様々な分野で重要なツールとなることが期待できる。

論文

Two arginine residues suppress the flexibility of nucleosomal DNA in the canonical nucleosome core

河野 秀俊; 白山 一義*; 有村 泰宏*; 立和名 博昭*; 胡桃坂 仁志*

PLOS ONE (Internet), 10(3), p.e0120635_1 - e0120635_15, 2015/03

 被引用回数:11 パーセンタイル:37.91(Multidisciplinary Sciences)

The dynamics of nucleosomes containing either canonical H3 or its centromere-specific variant CENP-A were investigated using molecular dynamics simulations. The simulations showed that the histone cores were structurally stable during simulation periods of 100 ns and 50 ns, while DNA was highly flexible at the entry and exit regions and partially dissociated from the histone core. In particular, approximately 20-25 bp of DNA at the entry and exit regions of the CENP-A nucleosome exhibited larger fluctuations than DNA at the entry and exit regions of the H3 nucleosome. Our detailed analysis clarified that this difference in dynamics was attributable to a difference in two basic amino acids in the$$alpha$$N helix; two arginine (Arg) residues in H3 were substituted by lysine (Lys) residues at the corresponding sites in CENP-A. The difference in the ability to form hydrogen bonds with DNA of these two residues regulated the flexibility of nucleosomal DNA at the entry and exit regions. Our exonuclease III assay consistently revealed that replacement of these two Arg residues in the H3 nucleosome by Lys enhanced endonuclease susceptibility, suggesting that the DNA ends of the CENP-A nucleosome are more flexible than those of the H3 nucleosome. This difference in the dynamics between the two types of nucleosomes may be important for forming higher order structures in different phases.

論文

Condition number estimation of preconditioned matrices

櫛田 慶幸

PLOS ONE (Internet), 10(3), p.e0122331_1 - e0122331_16, 2015/03

 被引用回数:2 パーセンタイル:60.56(Multidisciplinary Sciences)

本論文では前処理済み行列の条件数を推定する新しい手法を開発した。これにより、現在主流の線形連立一次方程式解法であるクリロフ部分空間法の収束性を向上させ、シミュレーションの時間を短縮することが可能となる。従来、前処理済み行列の条件数を推定するためには、(1)密行列になることを受け入れ実際に前処理行列を作用させるか、(2)ランチョスコネクションと呼ばれるランチョス法に基づき固有値を推定する方法が用いられてきた。しかしながら、(1)はメモリ使用量が膨大になるため実際のシミュレーションで使われる規模の行列では事実上不可能であり、(2)は本論文で示すように計算誤差のため実用には程遠い。このため、本論文ではある行列の逆行列の行列ノルムを推定するHagerの方法に基づき、前処理済み行列の条件数を推定するアルゴリズムを開発した。Matrix Marketから得らるサンプル行列や、ポワソン方程式をFEMで離散化した行列を用いて精度検証を行ったところ、ランチョスコネクションが意味のない推定値をだす条件であっても、新手法は安定していることが示された。また、計算量およびメモリ使用量の解析を行い、計算量は実際のシミュレーションに必要な量の4倍が必要となるが、メモリ使用量についてはほぼ同量しか必要とならないことが示された。これにより、開発した新手法が従来手法(1),(2)の問題点を克服したと言える。

論文

Biogeochemical signals from deep microbial life in terrestrial crust

鈴木 庸平*; 今野 祐大*; 福田 朱里*; 小松 大介*; 廣田 明成*; 渡邊 勝明*; 東郷 洋子*; 森川 徳敏*; 萩原 大樹; 青才 大介*; et al.

PLOS ONE (Internet), 9(12), p.e113063_1 - e113063_20, 2014/12

 被引用回数:6 パーセンタイル:63.38(Multidisciplinary Sciences)

土岐花崗岩が対象として掘削された深層ボーリング孔において、深部地下水中の微生物特性の調査を行った。その結果、低硫酸濃度環境下において、微生物的硫酸還元に伴う硫黄同位体分別が認められた。また、硫黄同位体分別の大きな同位体比および炭素同位体比は、メタン生成菌の活性が低いことを示唆した。これらの特徴は、低栄養環境である深部火成岩中の微生物生態系の特徴と考えられた。

論文

Model assembly for estimating cell surviving fraction for both targeted and nontargeted effects based on microdosimetric probability densities

佐藤 達彦; 浜田 信行*

PLOS ONE (Internet), 9(11), p.e114056_1 - e114056_20, 2014/11

 被引用回数:6 パーセンタイル:57.46(Multidisciplinary Sciences)

様々な線種の電離放射線に照射された細胞の生存率について、標的効果と非標的効果の双方を考慮して推定可能な新たなモデルを開発した。放射線場を特徴づけるための指標として、従来のモデルでよく使われてきたマクロ吸収線量やLETではなく、各細胞核及びその内部構造(ドメイン)におけるミクロ吸収線量の確率密度分布を用いた。これらの確率密度分布は、粒子・重イオン輸送計算コードPHITSにより計算可能である。標的効果の表現には、以前に確立したDSMK(二重確率論的マイクロドジメトリ動態)モデルを用い、非標的効果の表現には新たなモデルを開発した。開発したモデルの妥当性を調べるため、様々な細胞腫や照射条件に対する生存率について、その生物実験データとモデル計算データを比較した。その結果、モデル計算は広範囲の線量とLETについて生物実験データをよく再現することが示された。標的効果、非標的効果、Bcl-2過剰発現の効果を考慮したこの新たなモデルは、重粒子線治療、密封小線源治療、ホウ素中性子捕獲療法など、様々な先進医療の治療成績と有害事象の評価精度向上に役立つと期待できる。

論文

Free-energy landscape of reverse tRNA translocation through the ribosome analyzed by electron microscopy density maps and molecular dynamics simulations

石田 恒; 松本 淳

PLOS ONE (Internet), 9(7), p.e101951_1 - e101951_17, 2014/07

 被引用回数:10 パーセンタイル:50.69(Multidisciplinary Sciences)

To understand the mechanism of tRNA translocation in ribosome, all-atom molecular dynamics simulations of reverse translocation were carried out. Ribosome-tRNAs-mRNA-EFG complex at the post-translocational state was directed towards the translocational and pre-translocational states by fitting the complex into cryo-EM density maps. Multistep structural changes, such as a ratchet-like motion between the small and large ribosomal subunits and rotation of the head of the small subunit were observed during translocation. onformational change of EF-G was interpreted as the result of the combination of the internal and external motions: the internal hinge-bending motion around axes from one subunit to the other, and external rotational motion triggered by L12 around an axis passing near the sarcin-ricin loop. These motions contributed to the extension of domain IV of EF-G to maintain its interaction with the A/P-tRNA during tRNA translocation.

論文

Microdosimetric analysis confirms similar biological effectiveness of external exposure to $$gamma$$-rays and internal exposure to $$^{137}$$Cs, $$^{134}$$Cs, and $$^{131}$$I

佐藤 達彦; 真辺 健太郎; 浜田 信行*

PLOS ONE (Internet), 9(6), p.e99831_1 - e99831_10, 2014/06

 被引用回数:6 パーセンタイル:57.46(Multidisciplinary Sciences)

福島第一原子力発電所の事故以降、国内外で内部被ばくのリスクに関心が高まっている。放射性同位元素(RI)が細胞核内に取り込まれた場合、その内部被ばくのリスクと同じ吸収線量の$$gamma$$線による外部被ばくのリスクの比(生物学的効果比、RBE)は、1を超える可能性がある。そこで、本研究では、粒子輸送計算コードPHITSを用いて、様々なRIが細胞核、細胞質及び細胞外に局在した場合の放射線挙動を詳細に解析し、ミクロレベルで見た吸収線量の空間的かつ確率的分布を計算した。その結果、福島原発事故で放出された主要なRI($$^{137}$$Cs, $$^{134}$$Cs及び$$^{131}$$I)による内部被ばくと$$gamma$$線による外部被ばくでは、ミクロレベルで見た吸収線量分布にほとんど差はなく、そのRBEは、バイスタンダー効果など最新の生物学的知見を考慮しても最大で1.04程度であることが分かった。この結果は、最新の国際放射線防護委員会(ICRP)による勧告の妥当性を証明するものである。

論文

From laboratory to field; ${it OsNRAMP5}$-knockdown rice is a promising candidate for Cd phytoremediation in paddy fields

高橋 竜一*; 石丸 泰寛*; Shimo, H.*; Bashir, K.*; 瀬野浦 武志*; 杉本 和彦*; 小野 和子*; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 石井 里美; et al.

PLOS ONE (Internet), 9(6), p.e98816_1 - e98816_7, 2014/06

 被引用回数:12 パーセンタイル:32.61(Multidisciplinary Sciences)

Previously, we reported that OsNRAMP5 functions as a manganese, iron, and cadmium (Cd) transporter. The shoot Cd content in ${it OsNRAMP5}$ RNAi plants was higher than that in wild-type (WT) plants, whereas the total Cd content (roots plus shoots) was lower. For efficient Cd phytoremediation, we produced ${it OsNRAMP5}$ RNAi plants using the natural high Cd-accumulating cultivar Anjana Dhan (A5i). Using a positron-emitting tracer imaging system, we assessed the time-course of Cd absorption and accumulation in A5i plants. Enhanced $$^{107}$$Cd translocation from the roots to the shoots was observed in A5i plants. To evaluate the phytoremediation capability of A5i plants, we performed a field experiment in a Cd-contaminated paddy field. The biomass of the A5i plants was unchanged by the suppression of ${it OsNRAMP5}$ expression; the A5i plants accumulated twice as much Cd in their shoots as WT plants. Thus, A5i plants could be used for rapid Cd extraction and the efficient phytoremediation of Cd from paddy fields, leading to safer food production.

論文

Visualization of $$gamma$$H2AX foci caused by heavy ion particle traversal; Distribution between core track versus non-track damage

中島 菜花子*; Brunton, H.*; 渡辺 立子; Shrikhande, A.*; 平山 亮一*; 松藤 成弘*; 藤森 亮*; 村上 健*; 岡安 隆一*; Jeggo, P.*; et al.

PLOS ONE (Internet), 8(8), p.e70107_1 - e70107_14, 2013/08

 被引用回数:37 パーセンタイル:8.67(Multidisciplinary Sciences)

重イオン照射による生物影響のメカニズム研究は、適切な治療計画や線質係数の評価のためには重要である。本研究は、重イオンのトラック内におけるDNA損傷の分布と質を、生物学的及び物理学的見地から解析し、重イオンによるDNA損傷の特徴を理解することを目的とした。このため、鉄イオンをヒトの正常細胞に照射し、DNA2本鎖切断(DSB)のマーカーとなる$$gamma$$H2AXフォーカスの分布とイオンのトラック構造の関係を調べた。この結果、トラックの軌跡(コア)に沿ってDSBの多重生成とみなせる巨大なフォーカスが密に、2次電子(デルタ線)に沿って単独のDSBに対応するフォーカスがまばらに形成されることが観測された。これはDSBの分布をトラックシミュレーションにより計算した結果と一致した。また、それぞれのDSBは修復されるが、コアでは細胞周期のチェックポイントにおける停止時間が長くなり、デルタ線タイプの損傷の場合よりも修復に時間を要した。しかし、コアで密にDSBが生じた状態でも細胞周期は進行し、分裂期に入ることができることを確認した。本研究により、トラック構造と対比した形で同一トラック内の損傷の分布と質の違いを明らかにすることができた。

論文

A Framework for analysis of abortive colony size distributions using a model of branching processes in irradiated normal human fibroblasts

坂下 哲哉; 浜田 信行*; 川口 勇生*; 大内 則幸; 原 孝光*; 小林 泰彦; 斎藤 公明

PLOS ONE (Internet), 8(7), p.e70291_1 - e70291_10, 2013/07

 被引用回数:6 パーセンタイル:54.35(Multidisciplinary Sciences)

コロニー形成能の測定は、放射線照射後の細胞の重要な情報を与える。通常、50個以上の細胞からなるコロニーを、増殖可能な細胞からなるコロニーとして生存率を評価してきた。しかし、従来無視されてきた50個に満たない細胞からなるコロニーに関して詳細に調べたところ、サイズ分布が対数-対数グラフで直線にプロットできることがわかった。本研究では、この直線関係について分岐プロセスモデルを導入し、世界で初めて照射後の数世代にわたる細胞増殖死の確率を推定できることを発見した。また、従来、増殖可能なコロニーとして評価されたてきた生存コロニーに、このモデルを拡張応用することにより、生存率曲線を再現することに成功した。この一連の解析により、放射線照射後の細胞の継世代的な影響には、比較的短い数世代に及ぶ増殖死が高まる影響と、それよりも長い世代にわたって継続する増殖死の機構が存在することを明らかにした。本研究による、半世紀以上見過ごされてきたコロニーアッセイの隠れた重要性の指摘と、コロニーアッセイによる継世代影響解析方法の提案は、今後の放射線生物研究の進展に重要な貢献を果たすものと期待される。

論文

Assessment of olfactory nerve by SPECT-MRI image with nasal thallium-201 administration in patients with olfactory impairments in comparison to healthy volunteers

志賀 英明*; 滝 淳一*; 鷲山 幸信*; 山本 純平*; 木名瀬 栄; 奥田 光一*; 絹谷 清剛*; 渡邉 直人*; 利波 久雄*; 越田 吉郎*; et al.

PLOS ONE (Internet), 8(2), p.e57671_1 - e57671_8, 2013/02

 被引用回数:8 パーセンタイル:38.82(Multidisciplinary Sciences)

Current olfactory function tests are useful for the analysis of olfactory thresholds in olfaction-impaired patients. However, a decrease in olfactory thresholds has not been used as an index for olfactory nerve damage in patients. The authors assessed peripheral olfactory nerve viability by performing combined SPECT-CT after nasal administration of Tl-201 to determine whether olfactory nerve was damaged in patients with olfactory impairments in comparison to healthy volunteers. It was found that nasal Tl-201 migration to the olfactory bulb was significantly lower in the patients with head trauma, respiratory infection, and chronic rhinosinusitis than in healthy volunteers.

論文

Local conformational changes in the DNA interfaces of proteins

角南 智子; 河野 秀俊

PLOS ONE (Internet), 8(2), p.e56080_1 - e56080_12, 2013/02

 被引用回数:7 パーセンタイル:70.65(Multidisciplinary Sciences)

When a protein binds to DNA, a conformational change is often induced so that the protein will fit into the DNA structure. Therefore, quantitative analyses were conducted to understand the conformational changes in proteins. The results showed that conformational changes in DNA interfaces are more frequent than in non-interfaces, and DNA interfaces have more conformational variations in the DNA-free form. As expected, the former indicates that interaction with DNA has some influence on protein structure. The latter suggests that the intrinsic conformational flexibility of DNA interfaces is important for adjusting their conformation for DNA. The amino acid propensities of the conformationally changed regions in DNA interfaces indicate that hydrophilic residues are preferred over the amino acids that appear in the conformationally unchanged regions. This trend is true for disordered regions, suggesting again that intrinsic flexibility is of importance not only for DNA binding but also for interactions with other molecules. These results demonstrate that fragments destined to be DNA interfaces have an intrinsic flexibility and are composed of amino acids with the capability of binding to DNA. This information suggests that the prediction of DNA binding sites may be improved by the integration of amino acid preference for DNA and one for disordered regions.

論文

Anhydrobiosis-associated nuclear DNA damage and repair in the Sleeping Chironomid; Linkage with radioresistance

Gusev, O.*; 中原 雄一*; Vanyagina, V.*; Malutina, L.*; Cornette, R.*; 坂下 哲哉; 浜田 信行*; 黄川田 隆洋*; 小林 泰彦; 奥田 隆*

PLoS ONE (Internet), 5(11), p.e14008_1 - e14008_9, 2010/11

 被引用回数:34 パーセンタイル:26.71(Multidisciplinary Sciences)

これまでに、クリプトビオシス状態(体内の水分をほぼ完全に失っても生命を維持できる状態)のネムリユスリカは放射線耐性が上昇していることを明らかにしてきた。その原因として考えられてきたトレハロースによる生体分子保護機構に加えて、今回、高いDNA修復能力と活性酸素除去機構を発見した。コメットアッセイを用いて、クリプトビオシス状態でも70GyのHeイオンを浴びた幼虫と同程度の損傷(DNA切断)を負っていること、蘇生後約4日間でほぼ完全にこの損傷が修復できることがわかった。また、遺伝子発現解析により、クリプトビオシス誘導時には、DNA修復や活性酸素除去,シャペロンにかかわる遺伝子の発現が上昇することが明らかとなった。

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