ES2262601T3 - Inmobilizacion de biomoleculas. - Google Patents

Inmobilizacion de biomoleculas.

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ES2262601T3 ES01202713T ES01202713T ES2262601T3 ES 2262601 T3 ES2262601 T3 ES 2262601T3 ES 01202713 T ES01202713 T ES 01202713T ES 01202713 T ES01202713 T ES 01202713T ES 2262601 T3 ES2262601 T3 ES 2262601T3
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Abstract

Un sustrato unido a biomolécula que comprende: un soporte sólido hecho de moléculas poliméricas, cada una de las cuales contiene un primer grupo reactivo, estando dicho primer grupo reactivo presente sin modificación de la superficie del soporte sólido; y una pluralidad de biomoléculas, cada una de las cuales contiene un segundo grupo reactivo; en el que uno de los dos grupos reactivos es un grupo de sustitución y el otro es un grupo saliente; y las biomoléculas están unidas covalentemente al soporte sólido mediante una reacción de ligación química entre los dos grupos reactivos.

Description

Inmovilización de biomoléculas.
Los ensayos de diagnóstico y otros procedimientos químicos requieren frecuentemente conectar una molécula a un soporte sólido. Por ejemplo, una proteína se conecta habitualmente a un soporte sólido para un ensayo inmunológico, y un oligonucleótido a un soporte sólido para un ensayo basado en hibridación. La conexión se puede conseguir en un número de modos diferentes, incluyendo unión covalente e interacción no covalente. De forma típica, la conexión covalente es más robusta. Véase, por ejemplo, Lamture y col. (1994) Oligonucleotide Research 22: 2121 a 2125; Beattie y col. (1995) Mol. Biotechnol. 4: 213 a 225; Joos y col. (1997) Anal. Biochem 247: 96 a 101; Rogers y col. (1999) Anal. Biochem. 266: 23 a 30; y Chrisey y col. (1996) Oligonucleotide Research 24: 3031 a 3039.
Se ha desarrollado un número de protocolos para conectar de forma covalente un oligonucleótido a una superficie soporte. Un ejemplo consigue esto, por ejemplo, sintetizando un oligonucleótido directamente sobre una superficie soporte usando reacciones fotolitográficas por etapas. Por ejemplo, véanse las patentes de Estados Unidos números 5.424.186; 5.510.270 y 5.744.305. De forma alternativa, un ácido nucleico, tal como un ADNc clonado, un producto de PCR (reacción en cadena de la polimeresa), o un oligonucleótido sintético, se puede depositar sobre una superficie de un soporte sólido, por ejemplo, un portaobjetos microscópico, en forma de una red. Normalmente, la superficie se modifica con el fin de unir covalentemente un ácido nucleico.
El documento EP0390500 describe la inmovilización de proteínas (por ejemplo, IgG humana) sobre una superficie de poliestireno modificada con una tercera molécula, es decir, un compuesto de N-hidroximetilacetamida.
El documento EP0403700 describe ligandos reactivos (por ejemplo, ácidos nucleicos o proteínas) con gel de sílice modificados con tercera y cuarta moléculas.
El gel de sílice se modifica en primer lugar con polietileniminopropiltrimetoxisilano y luego con un compuesto que tiene un resto reactivo que es capaz de formar uniones covalentes con ligandos (por ejemplo, glutaraldehído). El documento EP1035218 describe la inmovilización de un oligonucleótido sobre una superficie modificada con una tercera molécula, es decir, un polímero que contiene grupos funcionales. Basu y Wickstrom, Tetrahedron Letters, 3682, 4943 a 4946, 1995, describen la síntesis de un conjugado ADN-péptido sobre un soporte amino-HLP modificado con una tercera molécula, 1-(Fmoc-amino)-5-(hidroximetil)-6-(DMT-O)-hexano.
En un aspecto, esta invención se refiere a un sustrato unido a biomolécula que incluye (1) un soporte sólido hecho de moléculas poliméricas, cada una de las cuales contiene un grupo reactivo; y (2) una pluralidad de biomoléculas, cada una de las cuales contiene otro grupo reactivo. Uno de los dos grupos reactivos es un grupo saliente y el otro es un grupo de sustitución, y las biomoléculas se enlazan de forma covalente al soporte sólido mediante una reacción de ligación química entre los dos grupos reactivos. En otras palabras, tras la reacción de ligación química, el grupo saliente se aparta de las biomoléculas o del soporte sólido, y los puentes del grupo de sustitución, las biomoléculas y el soporte sólido mediante una unión covalente. Cada uno de los dos grupos reactivos ya descritos se refiere bien a su estado de pre- o de post-reacción, dependiendo de si participa en la reacción. Incluso, en un sustrato unido a biomolécula de esta invención, no todos los grupos reactivos sobre el sustrato participan en la reacción de
ligación.
Un grupo saliente es el grupo que se separa de una molécula durante una reacción de ligación química. Este puede ser, por ejemplo, halógeno. Un grupo de sustitución puede ser bien un grupo nucleófilo o un grupo electrófilo. Un grupo nucleófilo es una especie química que tiene electrones en pares no compartidos (por ejemplo, cualquier ácido de Lewis) y puede ser neutro o tener una carga negativa. Ejemplos del grupo nucleófilo incluyen un grupo que contiene oxígeno (por ejemplo, hidroxilo, alcoxi, o aciloxi), un grupo que contiene azufre (por ejemplo mercapto, alquiltio, sulfonato o fosforotioato), un grupo que contiene nitrógeno (por ejemplo, amino, alquilamino, acilamino, nitro, azido o isocianato) y halógeno. Un grupo electrófilo es una especie química que tiene un orbital vacante para ocupar por electrones, y puede ser neutro o tener una carga positiva. Un ejemplo del grupo electrófilo es un organo-
metálico.
Un soporte sólido usado para poner en práctica esta invención está hecho de al menos un tipo de moléculas poliméricas distribuidas uniformemente en todo el soporte sólido, cada una de las cuales contiene un grupo saliente o un grupo de sustitución. Un soporte sólido puede ser flexible y capaz de doblarse, plegarse o ser manipulado de otra forma sin romperse. Este puede ser también rígido y adquirir una configuración deseable, tal como película, hoja, tubo, disco o esfera. Se puede usar también un soporte sólido poroso, tal como gel. Se pueden usar cualquiera de los soportes sólidos ya descritos solos, o en combinación con cualquier otro soporte (por ejemplo, vidrio) bien conocido en la técnica. Ejemplos de un soporte sólido para uso en esta invención incluyen, pero sin limitarse a estos, resina de poli(cloruro de vinilo) (PVC), resina de urea-formaldehído, y acrílica. Cuando un soporte sólido es resina de PVC, el grupo cloruro en el PVC es un grupo saliente. Una biomolécula que contiene un grupo de sustitución puede reaccionar con el grupo cloruro, dando lugar a unión covalente de la biomolécula con la resina de PVC. Cuando un soporte sólido es resina de urea-formaldehído, el grupo amino en urea formaldehído es un grupo de sustitución. Una biomolécula que contiene un grupo saliente puede reaccionar con el grupo amino, dando lugar a un unión covalente de la biomolécula con la resina de urea-formaldehído.
Una biomolécula que se va a conectar con el soporte sólido ya descrito puede ser un biopolímero (por ejemplo, un oligonucleótido, un péptido, un polisacárido, o una glicoproteína) o un biomonómero (por ejemplo, un nucleósido, un aminoácido, o un monosacárido), cualquiera de los cuales puede ser una molécula de origen natural o un análogo sintético. El término "oligonucleótido" usado en esta invención se refiere a un ADN sintético, un ARN sintético, un ADNc, un ARNm, o un ácido nucleico peptídico. La biomolécula contiene un grupo saliente o un grupo de sustitución, que, si no está presente de forma natural, se debe introducir mediante procedimientos químicos o bioquímicos bien conocidos en la técnica. Pueden localizarse un grupo saliente o un grupo de sustitución en cualquier posición adecuada de la biomolécula.
En otro aspecto, esta invención se refiere a un procedimiento para la preparación del sustrato unido a biomolécula anteriormente descrito. El procedimiento incluye (1) proporcionar un soporte sólido hecho de moléculas poliméricas, cada una de las cuales contiene un grupo saliente (o un grupo de sustitución), estando dicho grupo presente sin modificación de la superficie del soporte sólido; y una pluralidad de biomoléculas, cada una de las cuales contiene un grupo de sustitución (o un grupo saliente); y (2) enlace de las biomoléculas al soporte sólido mediante una reacción de ligación química entre los grupos saliente y de sustitución para formar un sustrato unido a biomolécula.
Una ventaja de esta invención es que la superficie de un soporte sólido no necesita ser modificada con el fin de conectar de forma covalente una biomolécula. Otras ventajas, características y objetos de la invención serán evidentes a partir de la descripción y de las reivindicaciones.
Los detalles de una o varias realizaciones de la invención se establecen en la descripción siguiente.
Se puede preparar un sustrato unido a biomolécula de esta invención mediante unión covalente de una biomolécula que contiene un grupo de sustitución a un soporte sólido que contiene un grupo saliente. Por ejemplo, se puede depositar un oligonucleótido que contiene fosforotioato sobre resina de PVC. El grupo fosforotioato, un grupo de sustitución, reacciona con el grupo cloruro, un grupo saliente, en el PVC para formar una resina de PVC unida a oligonucleótido. Se muestra a continuación un esquema que ilustra esta reacción de ligación química.
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Se puede preparar también un sustrato unido a biomolécula de esta invención mediante unión covalente de una biomolécula que contiene un grupo de sustitución a un soporte sólido que contiene un grupo de sustitución. Por ejemplo, se puede depositar un oligonucleótido que contiene yodotimidina sobre resina urea-formaldehído. El grupo amino, un grupo de sustitución, en la resina de urea-formaldehído reacciona con el grupo yodo, un grupo saliente, sobre el oligonucleótido para producir resina de urea-formaldehído unida a oligonucleótido. Se muestra a continuación un esquema que ilustra esta reacción de ligación química.
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Una biomolécula tiene un grupo reactivo (es decir, un grupo saliente o un grupo de sustitución), que puede localizarse en cualquier posición adecuada. Por ejemplo, un oligonucleótido tiene un grupo reactivo en su término 3' o 5', o en una posición no terminal. Esta puede estar inmovilizada sobre un soporte sólido e hibridizarse con su miembro par. Cuando el grupo reactivo está en una posición no terminal, el olignucleótido puede ser capaz de formar una estructura "horquilla" sobre el soporte sólido para mejorar la eficacia de hibridación.
Se puede preparar una biomolécula que contenga un grupo reactivo usando cualquier metodología conveniente. Por ejemplo, en la que la biomolécula sea un oligonucleótido, existe un número de protocolos para introducir un oligonucleótido con un grupo reactivo, si no está presente de forma natural. Por ejemplo, se puede sintetizar químicamente un oligonucleótido sobre un sintetizador de ADN/ARN usando fosforamiditas no modificadas, y se puede añadir enzimáticamente un grupo reactivo a uno de los términos del oligonucleótido. De forma alternativa, se puede incorporar una fosforamidita modificada, con un grupo reactivo, en una posición adecuada de un oligonucleótido usando un sintetizador de ADN/ARN. Como otro ejemplo, cuando la biomolécula es un péptido, esta se puede preparar químicamente (por ejemplo, sobre un sintetizador de péptido) o biológicamente (por ejemplo, expresada de una célula huésped). Está presente un grupo funcional tal como carboxi, hidroxi, fenoxi, amino, guanidino o mercapto en péptidos, y puede servir como un grupo reactivo. Si se necesitase un grupo reactivo adicional, este se puede introducir, por ejemplo, mediante incorporación de un análogo de aminoácido.
La síntesis de un oligonucleótido de esqueleto modificado, tal como un oligonucleótido que contiene fosforotioato, se describe, por ejemplo, en Krieg y col. (1995) Nature 374: 546 a 549; Winer y col. (1997) Proc. Natl. Acad Sci. Estados Unidos 94: 10833 a 10837, y en Boggs y col. (1997) Antisense Nucleic Drug Dev 7(5): 461 a 471. La síntesis de un oligonucleótido de base modificada, así como también de otros oligonucleótidos de esqueleto modificado (por ejemplo, que contienen fosforoditioato o aminoalquilfosfotriéster), se describe por ejemplo, en la patente de Estados Unidos 6.232.296.
Se puede unir una biomolécula al soporte de forma aleatoria, o en un orden. El procedimiento de esta invención puede introducir una biomolécula, tal como un oligonucleótido, un péptido, un polisacárido, un nucleósido, un aminoácido, o un monosacárido, sobre un soporte sólido en la forma de una red, es decir, una disposición ordenada tal como una matriz de filas y columnas. Una red individual puede contener un número de biomoléculas conectadas únicas. La red puede contener una pluralidad de direcciones (siendo cada dirección una biomolécula conectada única), y una o más moléculas conectadas únicas. Cada sitio direccionable puede ser directamente adyacente a al menos un sitio distinto, o se puede separar uno de otro, por ejemplo, mediante una arista, vértice o superficie exenta de biomoléculas conectadas. La red puede tener una pluralidad de direcciones sobre el soporte sólido. La densidad de las direcciones se selecciona para proporcionar resolución adecuada para detección, y puede ser al menos 10, 10^{3}, 10^{5}, 10^{7} ó 10^{9} direcciones/cm^{2}, o no más de 10, 10^{3}, 10^{5}, 10^{7} ó 10^{9} direcciones/cm^{2}. La distancia centro a centro entre direcciones puede ser de 1 cm, 10 mm, 10 nm, 0,1 nm o inferior, o varía entre ellos. El mayor diámetro de cada dirección puede ser de 1 cm, 10 mm, 0,1 mm o inferior, o varía entre ellos. Cada dirección puede contener 10 mg, 100 ng, 100 pg, 0,1 pg o menos de la biomolécula, o varía entre ellos. De forma alternativa cada dirección contiene 100, 10^{4}, 10^{6}, 10^{8} o más biomoléculas, o varía entre ellos. Las direcciones pueden estar distribuidas sobre el sustrato en una dimensión, en dos dimensiones o en tres dimensiones.
Se puede usar un sustrato unido a biomolécula de esta invención en aplicaciones variadas, cuando tales aplicaciones son por lo general analíticas, en las que la presencia de un analito determinado en una muestra dada se detecta al menos cualitativamente, si no cuantitativamente. De forma más específica, la muestra sospechosa de contener el analito de interés se pone en contacto con las biomoléculas sobre el soporte sólido en condiciones suficientes para que el analito interactúe con su respectivo miembro par que está presente sobre el soporte sólido. Si el analito de interés está presente en la muestra, este puede formar un complejo con su miembro par. La presencia del complejo se puede detectar mediante, por ejemplo, uso de un sistema de producción de señal tal como una etiqueta isotópica o fluorescente presente en el analito.
Un ejemplo de un sustrato unido a biomolécula es una red de oligonucleótido, en el que se puede usar un ensayo de hibridación. El ensayo de hibridación puede ser un ensayo de descubrimiento de gen, un ensayo de análisis de expresión génica diferencial, un ensayo de secuenciación, o un análisis de polimorfismo genómico. Por ejemplo, se puede usar una red de oligonucleótido para producir perfiles de expresión génica tras reacciones de extensión con cebador mediado por polimerasa. Véase por ejemplo la patente de Estados Unidos nº 5.262.311; Liang P & Pardee, A.B. (1992) Science 257; 967 a 971; Liang P & Pardee, ediciones A.B. (1997) Methods in Molecular Biology: Differential Display Methods and Protocols, volumen 85). Una red de este tipo se puede usar, por ejemplo, para identificar genes asociados con enfermedades o compuestos tamiz para descubrimiento de fármacos en un formato de gran rendimiento. En particular se ha probado una red de alta densidad para controlar la expresión génica, mapear clones de librería genómica, y re-secuenciar genes para tamizar mutaciones y polimorfismos. Por ejemplo, véase, Ramsay (1998) Nature Biotechnology 16: 40 a 44; Bains y Smith (1988) J. Theor. Biol. 135: 303 a 307; Drmanac y col. (1989) Genomics 4: 114 a 128; y Shena y col. (1995) Science 270: 467 a 470.
Los ejemplos específicos siguientes se entienden como meramente ilustrativos, y no limitativos del resto de la descripción en modo alguno. Sin más elaboración, se cree que un especialista en la técnica puede, basándose en la descripción de esta invención, usar la presente invención en toda su extensión.
Ejemplo 1 Preparación de un sustrato plástico unido a olignucleótido
Se preparó una solución de oligonucleótido modificado con 3'-fosforotioato y 5'-biotina 10 \muM (TM). Se salpicó 0,5 \mul (TL) de la solución sobre un sustrato plástico hecho de resina de PVC. La placa plástica se incubó a 32ºC durante la noche, se lavó con agua desionizada y destilada (ADD), se hizo reaccionar con estreptavidina - fosfatasa alcalina y se trató con un tampón que contiene nitroazul de tetrazolio (NBT)/5-bromo-4-cloro-3-indolilfosfato (BCIP). Los resultados indican que el oligonucleótido se unió covalentemente al sustrato plástico.
Ejemplo 2 Preparación de un sustrato unido a olignucleótido
Se preparó una solución de oligonucleótido modificada con 3'-amino y 5'-biotina 10 \muM (TM). Se salpicó 0,5 \mul (TL) de la solución sobre una chapa plástica hecha de resina de PVC. El sustrato plástico se incubó a 32ºC durante la noche, se lavó con (ADD), se hizo reaccionar con estreptavidina - fosfatasa alcalina y se trató con un tampón que contiene NBT/BCIP. Los resultados indican que el oligonucleótido se unió covalentemente al sustrato plástico.
Ejemplo 3 Hibridación de un oligonucleótido unido sobre un sustrato plástico
Se preparó una solución de oligonucleótido modificada con 3'-fosforotioato 10 \muM (TM). Se salpicó 0,5 \mul (TL) de la solución sobre una chapa plástica hecha de resina de PVC. El sustrato de plástico se incubó a 32ºC durante la noche, y se lavó con ADD. Se aplicó al sustrato de plástico un producto de PCR marcado con biotina, que contiene una secuencia complementaria al oligonucleótido modificado con 3'-fosforotioato. Tras incubación se lavó la chapa, se hizo reaccionar con estreptavidina - fosfatasa alcalina, y se trató con un tampón de detección que contiene NBT/BCIP. Los resultados mostraron que la hibridación del producto de PCR en el oligonucleótido sobre el sustrato era eficiente.

Claims (37)

1. Un sustrato unido a biomolécula que comprende:
un soporte sólido hecho de moléculas poliméricas, cada una de las cuales contiene un primer grupo reactivo, estando dicho primer grupo reactivo presente sin modificación de la superficie del soporte sólido; y una pluralidad de biomoléculas, cada una de las cuales contiene un segundo grupo reactivo;
en el que uno de los dos grupos reactivos es un grupo de sustitución y el otro es un grupo saliente; y las biomoléculas están unidas covalentemente al soporte sólido mediante una reacción de ligación química entre los dos grupos reactivos.
2. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 1, en el que el primer grupo reactivo es un grupo saliente y el segundo grupo reactivo es un grupo nucleófilo.
3. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 2, en el que el primer grupo reactivo es halógeno, amino o mercapto.
4. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 3, en el que el soporte sólido es poli(cloruro de vinilo) y el primer grupo reactivo es cloruro.
5. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 2, en el que el segundo grupo reactivo es fosforotioato o un amino.
6. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 5, en el que el primer grupo reactivo es halógeno, amino o mercapto.
7. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 6, en el que el soporte sólido es poli(cloruro de vinilo) y el primer grupo reactivo es cloruro.
8. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 2, en el que la biomolécula es un nucleótido o un oligonucleótido.
9. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 8, en el que el segundo grupo reactivo es fosforotioato o un amino.
10. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 9, en el que el primer grupo reactivo es halógeno, amino o mercapto.
11. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 10, en el que el soporte sólido es poli(cloruro de vinilo) y el primer grupo reactivo es cloruro.
12. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 2, en el que la biomolécula es un aminoácido o un péptido.
13. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 1, en el que el primer grupo reactivo es un grupo saliente y el segundo grupo reactivo es un grupo electrófilo.
14. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 1, en el que el primer grupo reactivo es un grupo nucleófilo y el segundo grupo reactivo es un grupo saliente.
15. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 14, en el que el primer grupo reactivo es halógeno, amino o mercapto.
16. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 15, en el que el soporte sólido es resina de urea-formaldehído y el primer grupo reactivo es amino.
17. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 14, en el que el segundo grupo reactivo es halógeno.
18. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 17, en el que el primer grupo reactivo es halógeno, amino o mercapto.
19. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 18, en el que el soporte sólido es resina de urea-formaldehído y el primer grupo reactivo es amino.
20. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 14, en el que la biomolécula es un nucleótido o un oligonucleótido.
21. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 20, en el que el segundo grupo reactivo es halógeno.
22. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 21, en el que el primer grupo reactivo es halógeno, amino o mercapto.
23. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 22, en el que el soporte sólido es resina de urea-formaldehído y el primer grupo reactivo es amino.
24. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 14, en el que la biomolécula es un aminoácido o un péptido.
25. El sustrato unido a biomolécula de la reivindicación 1, en el que el primer grupo reactivo es un grupo electrófilo y el segundo grupo reactivo es un grupo saliente.
26. Un procedimiento para la preparación de un sustrato unido a biomolécula, que comprende
proporcionar un soporte sólido hecho de moléculas poliméricas, cada una de las cuales contiene un primer grupo reactivo, estando dicho primer grupo reactivo presente sin modificación de la superficie del soporte sólido; y una pluralidad de moléculas, cada una de las cuales contiene un segundo grupo reactivo; en el que uno de los dos grupos reactivos es un grupo de sustitución y el otro es un grupo saliente; y
enlace de las biomoléculas con el soporte sólido mediante una reacción de ligación química entre los dos grupos reactivos para formar el sustrato unido a biomolécula.
27. El procedimiento de la reivindicación 26, en el que el primer grupo reactivo es un grupo saliente y el segundo grupo reactivo es un grupo nucleófilo.
28. El procedimiento de la reivindicación 27, en el que el soporte sólido es poli(cloruro de vinilo) y el primer grupo reactivo es cloruro.
29. El procedimiento de la reivindicación 27, en el que el segundo grupo reactivo es fosforotioato o un amino.
30. El procedimiento de la reivindicación 29, en el que el soporte sólido es poli(cloruro de vinilo) y el primer grupo reactivo es cloruro.
31. El procedimiento de la reivindicación 27, en el que la biomolécula es un nucleótido o un oligonucleótido.
32. El procedimiento de la reivindicación 27, en el que la biomolécula es un aminoácido o un péptido.
33. El procedimiento de la reivindicación 26, en el que el primer grupo reactivo es un grupo saliente y el segundo grupo reactivo es un grupo electrófilo.
34. El procedimiento de la reivindicación 26, en el que el primer grupo reactivo es un grupo nucleófilo y el segundo grupo reactivo es un grupo saliente.
35. El procedimiento de la reivindicación 34, en el que la biomolécula es un nucleótido o un oligonucleótido.
36. El procedimiento de la reivindicación 34, en el que la biomolécula es un aminoácido o un péptido.
37. El procedimiento de la reivindicación 26, en el que el primer grupo reactivo es un grupo electrófilo y el segundo grupo reactivo es un grupo saliente.
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