KR0154278B1 - 신규한 바실러스 츄린겐시스 cryik 유전자 및 이로부터 발현된 단백질 - Google Patents

신규한 바실러스 츄린겐시스 cryik 유전자 및 이로부터 발현된 단백질

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Abstract

본발명은 신규한 바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringiensis) cryIK 유전자 및 이로부터 발현된 단백질에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나비목 해충 중에서도 배추나 케일 등 채소류에 큰 피해를 입히는 배추흰나비에 특이적으로 살충성을 나타내는 신규한 독소유전자에 관한 것이다.

Description

신규한 바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringiensis) cryIK 유전자 및 이로부터 발현된 단백질
제1도는 본 발명의 신규한 바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringiensis) cryIK 유전자의 DNA 염기서열 및 추정 아미노산 서열을 나타낸 그림으로 5' -말단 부위에 대해서는 cryIB 유전자와 비교한 결과를 함께 나타낸 것이고,
제2도는 본 발명의 신규한 바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringiensis) cryIK 유전자의 DNA염기서열을 나타낸 것이고,
제3도는 본 발명의 신규한 바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringiensis) cryIK 유전자의 추정 아미노산 서열을 나타낸 것이며,
제4도는 본 발명의 cryIk 유전자와 cryIB 유전자를 함유한 재조합 바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringiensis) 균주로부터 분리된 독소단백질의 단백질 전기영동 사진(2 : cryIK 유전자 함유, 3 : cryIB 유전자 함유)이다.
본 발명은 신규한 바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringiensis) cryIK 유전자 및 이로부터 발현된 단백질에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나비목 해충 중에서도 배추나 케일 등 채소류에 큰 피해를 입히는 배추흰나비에 특이적으로 살충성을 나타내는 신규한 독소유전자에 관한 것이다.
현재까지 인류의 식량증산에 크게 기여해 온 화학 합성 농약은 근래에 들어 과도한 사용과 남용으로 인해 환경오염, 생태계 파괴 등 심각한 문제를 야기하고 있으며 매년 농약으로 인한 중독 사망자가 우리나라의 경우 약 1,400명에 이르는 등 그 피해가 날로 늘어나고 있다. 뿐만 아니라 화학 합성 농약에 대한 저항성을 가진 병원균이나 곤충의 출현으로 인해 더 많은 양의 농약 사용이 불가피하게 되어 그 피해는 더욱 늘어날 전망이다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 무공해 내지 저공해 농약의 개발이 절실히 요구되고 있다.
따라서, 미생물을 원체로 한 미생물 농약을 개발하여 사용하고 있는데, 이중 나비목, 파리목, 딱정벌레목 등에 속해있는 일부 해충의 유충에 대해 병원성이 높으며 공업수준의 배양이 용이한 바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringiensis, 이하 BT)를 원체로한 미생물 농약을 BT 제라 하여 유용하게 사용해 오고 있다.
BT는 아포를 형성하는 그람 양성균으로 아포 형성과 함께 특정 곤충에 치사효과가 있는 내독소 단백질을 생성한다. 이 독소 단백질은 곤충의 중장내에 있는 단백질 분해효소에 의해 활성화 되어서 수용체에 결합하여 살충작용을 일으키므로 수용체를 가지고 있지 않은 사람이나 동·식물 및 어류 등에는 부해하여 자연 생태계에도 안전한 미래형 농약으로 알려져 있다. 현재까지 많은 종류의 BT 균주가 흙, 죽은 곤충, 먼지, 식물 등에서 분리되었으며(Appl. Environ. Microbiol. 57, 311∼315), 분리된 균주로부터 많은 수의 독소 단백질 유전자가 클로닝되어 알려지고 있는데, 이들 유전자는 그들이 만들어내는 단백질의 살충 특이성에 따라 나비목 곤충에 독성을 나타내는 cryI, 나비목과 파리목 곤충에 동시에 독성을 나타내는 cryII, 딱정벌레목 곤충에 독성을 나타내는 cryIII, 파리목 곤충에 독성을 나타내는 cryIV, 나비목과 딱정 벌레목 곤충에 독성을 나타낸는 cryV 등으로 분류된다.
현재 경제적으로 중요한 해충들은 대부분 나비목에 속해 있으므로 cryI 계열의 독소단백질 유전자에 대한 연구가 가장 많이 되어 있는 상태이다. cryI 계열의 유전자들은 다시 염기서열의 상동성에 따라 cryIA에서 cryIJ까지 분류되고 있으며 이들은 다시 세분화되는데 cryIA의 경우 cryIA(a), cryIA(b), cryIA(c) 등으로 세분화된다. 이들 cryIA-cryIJ 유전자들은 다양한 나비목 해충에 대해 서로 다른 살충 특이성을 나타낸다.
그러나, 지금까지 발견된 이러한 독소단백질로는 제어할 수 없는 해충의 종류가 아직 많고 또한 기존의 BT에 저항성을 가진 해충의 출현이 점차 문제시 되고 있어서 이를 극복하고자 현재에는 많은 연구자들이 새로운 유전자를 찾으려고 노력하고 있다.
따라서, 본 발명자들은 토양, 식물체 등의 자연계로부터 다수의 BT 균주를 분리하였으며 폴리메라제 연쇄반응법(Polymerase chain reaction, PCR)과 그 산물의 염기서열 결정을 통하여 새로운 유전자를 탐색한 결과, 이 중 누에중에는 독성이 전혀 없고 배추흰나비에 특이적으로 독성을 나타내는 새로운 유전자를 발견하였는데 BT의 기존 유전자들과 염기서열의 비교분석을 통해 신규성이 있음을 확인하였고 이를 cryIK라 명명함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 배추흰나비에 특이적으로 살충성을 나타내는 신규한 바실러스 츄린겐시스 cryIK 유전자와 이로부터 발현된 단백질을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 다음과 같은 염기서열로 표시된 바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringiensis) cryIK 유전자에 그 특징이 있다.
그리고, 다음과 같이 표시된 아미노산 서열을 코드화하는 바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringiensis) cryIK 유전자에도 그 특징이 있다.
또한, 본 발명은 나비목 해충에 살충성을 갖는 바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringiensis) cryIK로부터 발현된 단백질에도 그 특징이 있다.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 배추흰나비 등 나비목 해충에 특이적으로 살충성을 나타내는 BT의 새로운 유전자에 관한 것으로서, 본 발명의 신규 유전자는 이를 함유한 재조합 플라스마드를 형질도입시켜서된 대장균(Escherichia coli)JM109/pF190 균주를 1995년 9월 21일자로 국제기탁기관인 한국과학기술연구원 부설 생명공학연구소 유전자원센타에 기탁하여 기탁번호 KCTC 8690P를 부여받았다.
이하에서 본 발명의 신규 유전자의 탐색 및 클로닝 과정을 구체적으로 설명한다.
[새로운 독소 유전자의 탐색 및 클로닝]
국내의 자연계로부터 분리된 바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringiensis) 균주로부터 DNA를 칼만 등의 방법(Appl. Environ. Microbiol. 59, 1131∼1137, 1993)으로 분리하고 cryI 유전자에 특이적으로 결합하는 프라이머(Appl. Environ. Microbiol. 59, 1131∼1137, 1993)를 사용하여 폴리메라제 연쇄반응법(Polymerase chain reaction, PCR)을 수행하였으며 PCR 결과 생성된 DNA조각들은 다시 디그-텍 시퀀싱 키트(Dig-Tag Sequencing Kit, 베링거 만하임 사)를 이용하여 염기서열을 결정하였다. 이중 분리균 BF190으로부터 cryIF 유전자에 특이적으로 결합하는 프라이머에 의해서 PCR 산물이 생성되었는데, 이 PCR 산물의 염기서열을 결정해 본 결과 기존의 cryIF 유전자와는 다른 염기서열을 가지고 있었으며, 또한 다른 cryI 유전자와도 상동성이 발견되지 않았다. 따라서 이 PCR 산물은 새로운 유전자의 DNA 조각임을 추정할 수 있으므로 이 PCR 산물을 프로브(probe)로 사용하여 다음과 같은 방법으로 새로운 유전자를 클로닝 하였다.
BF190 으로부터 분리된 DNA를 여러 가지 제한효소로 절단한 다음 0.8% 아가로즈를 이용하여 DNA 전기영동한 후 나일론 멤브레인(베링거 만하임 사)으로 DNA를 부착시켜 디그 DNA 라벨링 키트(DIG-DNA labeling Kit, 베링거 만하임 사)를 이용하여 만들어진 위의 프로브를 사용하여 사우딘 하이브리다이제이션(Southern hybridization)을 수행하였다.
그 결과 새로운 유전자는 HindIII 와 BamHI 두가지 제한효소를 절단한 5Kb 정도의 DNA 조각속에 포함된다는 사실을 알 수 있었다.
위의 사실에 근거하여 BF190 DNA를 HindIII와 BamHI 두가지 효소로 절단하여 플라스미드 pUC18의 HindIII와 BamHI 위치에 연결시킨 후 대장균에 도입하였다.
형질전환된 대장균에 의해 형성된 다수의 콜로니로부터 원하는 유전자를 함유한 콜로니의 탐색은 콜로니 하이브리다이제이션(Colony hybridization)(The Dig System Use's Guide for Filter Hybridization, Boehringer Mannheim Biochemica, 40∼43, 1993)방법을 통하여 수행하였으며, 이때 사용한 프로브는 상기의 사우던 하이브리다이제이션에서 사용한 프로브와 동일하였다.
위와 같이 만들어진 플라스미드(plasmid)는 pUC18 플라스미드에 약 4,700여개의 염기를 가지고 있는 DNA 조각이 삽입되어 있는 형태로서, 이 새로운 유전자를 포함한 DNA 조각을 이래이즈 어 베이스 시스템(Erase-a-Base System, 프로메가 사)을 이용하여 순차적으로 절단하고 생거의 방법(Proc. Natl. Acad. Sci. 74, 5463, 1977)을 사용하여 염기서열을 밝혔으며, 그 결과는 첨부도면 제1도에 나타낸 바와 같다.
제1도에서 확인되듯이 cryIK의 포로모터(promoter) 부위는 기존의 cryIB와 거의 동일함으로 cryIB 유전자와 같이 시작 코오돈(codon)이 TTG임을 추정할 수 있으며, 따라서 cryIK 단백질의 분자량이 137.4KD으로 추정된다.
이 새로운 유전자(제2도)를 기존의 다른 cryI 유전자의 염기서열과 비교 분석해본 결과 대부분의 유전자가 공통적으로 가지고 있는 5개의 블록을 cryIK 역시 가지고 있으며, 특히 C-말단쪽의 절반정도(아미노산 위치로 639에서 1215번째)는 매우 높은 상동성을 보였는데 이는 바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringiensis) 독소 유전자의 전형적인 유형으로 cryIK 유전자가 BT 독소 유전자임을 다시 증명하는 결과이다.
또한, cryIK 유전자는 일부 부위에서 cryIB 또는 cryIF 유전자와 매우 높은 상동성을 보였는데 제3도의 아미노산 1에서 177번째까지는 cryIB와 77%의 높은 상동성을 보였으며, 아미노산 530번째에서 625번째까지는 cryIF와 83%의 상동성을 보였다. 이는 진화학적으로 cryIK 유전자의 생성에 cryIB 또는 cryIF 유전자가 관여했음을 추측하게 한다. 그러나 N-말단쪽의 절반 부위(아미노산 1에서 638번째)의 전체적인 상동성은 cryIB와는 59%, cryIF와는 44%를 각각 나타내었다. 일반적으로 곤충에 대한 특이성을 결정하는 부위로 알려져 있는(J. Biol. Chem. 266, 17954∼17958, 1991)블록 2와 블록 3 사이의 상동성을 조사해 본 결과 기존의 어떤 유전자와도 상동성이 없으므로 본 발명의 새로운 유전자는 종래와는 다른 살충 스펙트럼을 가지고 있다고 추정할 수 있다.
상기 유전자는 대장균(Escherichia coli)뿐만 아니라, 슈도모나스 특히 슈도모나스 시링기(P. syringea), 슈도모나스 플루오레슨스(P.fluorescens), 어위니아(Erwinia), 세라치아(Serratia), 특히 세라치아 마르센스(S. marcescens), 클렙시엘라(Klebsiella), 잔토모나스(Xanthomonas), 특히 잔토모나스 캄페스트리스(X. compestris)
, 스트렙토마이세스(Streptomyces), 리조비움(Rhizobium), 특히 리조비움 멜리오티(R. melioti), 로도슈도모나스(Rhodopseudomonas), 특히 로도슈도모나스 스페로이데스(R. spheroides), 메칠로필리우스(Methyolphilius), 아그로박테리움(Agrobacterium), 특히 아그로박테리움 투메파시엔스(A. tumefaciens), 아세토박터(Acetobacter), 특히 아세토박터 자일리넘(A. xylinum), 락토바실러스(Lactobacillus), 아스로박터(Arthrobacter), 아조토박터(Azotobacter), 특히 아조토박터 빈란디(A. vinlandii), 류코노스톡(Leuconostoc), 알칼리젠스(Alcaligenes), 특히 알칼리젠스 엔트로푸스(A. entrophus), 바실러스(Bacillus), 특히 바실러스 서틸리스(B. subtilis), 바실러스 시리우스 (B. cereus), 바실러스 츄린겐시스(B. thuringiensis), 플라보 박테리움(Flavobacterium), 시겔라(Shigella), 살모넬라(Salmonella), 프로테우스(Proteus), 자이모모나스(Zymomonas), 에어로모나스(Aeromonas), 비브리오(Vibrio), 디설포비브리오(Desulfovibrio), 스피릴럼(Spirillum), 코리네박테리움(Corynebacterium) 등과 같은 박테리아와 사카로마이세스(Saccharomyces), 특히 사카로마이세스 로세이(S. rosei), 사카로마이세스 프레토리엔시스(S. pretoriensis), 사카로마이세스 세리비시아(S. cerevisiae), 쉬조사카로마이세스(Schizosaccharomyces), 크립토코커스(Cryptococcus), 특히 크립토코커스 알비더스(C. albidus), 크립토코커스 디피우엔스(C. diffiuens), 크립토코커스 라우렌디(C. laurentii), 클루이베로마이세스(Kluyveromyces), 특히 클루이베로마이세스 베로나(K. veronae), 스포로볼로마이세스(Sporobolomyces), 특히 스포로볼로마이세스 로제우스(S. roseus), 스포로볼로마이세스 오도루스(S. odorus), 로도토룰라(Rhodotorula), 특히 로도토룰라 루브라(R. rubra), 로도토룰라 글루티니스(R. glutinis), 로도토룰라 마리나(R. marina), 로도토룰라 아우란티아카(R. aurantiaca), 아우레오바시디움(Aureobesieium), 특히 아우레오바시디움 폴루란스(A. pollulans) 등과 같은 곰팡이에 재조합 플라스미드로 형질도입시켜 사용이 가능하고 나비목 곤충의 숙주식물인 배추, 양배추, 무, 케일 등의 십자화와 식물, 고추, 피망, 가지, 감자, 토마토 등의 가지과 식물, 오이, 수박, 참외, 호박, 메론 등의 박과 식물, 마늘, 파, 양파, 부추 등의 백합과 식물, 시금치, 근대 등의 명아주와 식물, 우엉, 쑥갓, 상치 양상치 등의 국화과 식물, 벼, 보리, 밀, 귀리, 호밀, 옥수수, 조 등의 화분과 식물, 콩, 팥, 녹두, 강낭콩, 제비콩 등의 두과식물, 당근, 미나리, 셀러리 등의 미나리과 식물, 딸기 등의 장미과 식물 등의 식물을 형질전환시킬 수도 있으며, 또한 이 유전자로부터 생성된 독성단백질을 미네랄오일, 면실유, 파라핀오일, 코코넛오일, 피쉬오일(fishoil), 대두유 등의 기름종류와 트라이톤(Triton), 실록세인(Siloxane) 등의 전착제 종류와 카올린(Kaoline), 벤톤(bentone), 탈크(talc) 등의 증량제와 실리카 파우더(Silica powder) 등의 분산제 등의 농업적으로 이용가능한 수용체와 혼합하여 살충제 조성물로 사용한다.
또한 본 발명의 cryIK 독성단백질을 기존의 cryI 단백질의 효과량과 혼합 사용하여 독성단백질의 살충활성을 강화할 수도 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실예 1 : cryIK 유전자의 발현]
cryIK 유전자는 프로모터 부위와 유전자의 N-말단 부위가 cryIB 유전자와 거의 비슷한데 cryIB 유전자는 시작 코오돈이 TTG로서 이는 대장균의 일반적이 시작 코오돈인 ATG와 다르다. 따라서 cryIB 유전자는 대장균 내에서 발현이 원활하게 일어나지 못하며 발현된 단백질도 매우 불안정하다.(Mol. Gen. Genet. 231, 59∼64, 1991). 본 발명의 cryIK 역시 대장균 내에서 발현이 되지 않았는데 그 이유는 cryIB와 유사하리라 추정된다.
따라서 cryIK 유전자를 발현시키기 위하여 본 발명자들은 대장균과 바실러스(Bacillus)의 셔틀 벡타(shuttle vector)인 pHPS9(Gene., 86, 63∼69, 1990)에 cryIK 유전자를 삽입하여 이를 독소단백질을 만들지 못하는 돌연변이 바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringiensis) 균주(4D11, BGSC code)에 형질전환시켰다. 형질전환된 BT 균주는 매우 큰 내독소 결정체를 만들었는데, 이를 레노그라핀(Renografin)분획 원심분리법(J. Bacteriol. 173, 3966∼3976, 1991)으로 순수분리한 후 전기영동패턴을 관찰하였으며, 그 결과는 첨부도면 제4도(2번)에 나타낸 바와 같다. 한편, cryIB 단백질과 살충성을 비교하기 위하여 cryIB 유전자를 BT HD2 균주로부터 cryIK 유전자와 같은 방법으로 클로닝하여 pHPS9 벡터에 삽입한 다음 4D11에서 발현시켰으며 발현된 내독소 결정체 역시 레노그라핀 분획 원심분리법으로 순수분리하고 전기영동패턴을 관찰한 결과는 첨부도면 제4도(3번)에 나타낸바와 같다. 상기 제4도에서 확인될 수 있는 바와 같이 cryIK 단백질은 다른 단백질로부터 순수분리되어 하나의 단백질 밴드(band)만을 형성하고 있으며 그 크기는 cryIB 단백질과 거의 유사함을 알 수 있다.
이 순수분리된 내독소단백질은 라우리법(J. Biol. Chem. 193, 265∼275, 1951)에 의한 단백질 정량 후 살충성 검정에 사용되었다.
[실시예 2 : cryIK 유전자로부터 발현된 단백질의 살충성 검정]
상기 실시예 1에서 제조된 cryIK 단백질과 cryIB 단백질과의 살충성을 비교 검정하기 위해 집누에나방, 배추좀나방, 배추흰나방, 파밤나방 및 미국흰불나방 등을 살충성 검정 대상곤충으로 사용하였다. 살충성 검정은 신등의 방법(Appl. Environ. Microbiol. 61, 2402∼2407, 1995)을 사용하였는데 이를 간략히 기술하면 다음과 같다.
순수분리된 독소단백질을 순차적으로 1/2씩 희석하여 집누에나방과 흰불나방의 경우 직경 3cm, 높이 0.5cm의 원형 인공사료에 배추흰나비, 배추좀나방, 파밤나방의 경우는 직경 3cm의 배추입에 도말하고 음건한 후 각 곤충의 3령 유충 10 마리씩을 처리하여 3일이 지난 후 치사율을 조사하였다. 각 실험은 2번이상 반복하여 수행하였고 반치사농도는 프로빗분석법(Probit analysis, Cambridge Unibersity Press, 1971)으로 계산하였으며 그 결과는 다음 표에 나타난 바와 같다.
상기 표의 결과로부터 cryIB 유전자는 배추흰나비와 배추좀나방에 대해 살충성을 나타내는 반명 cryIK는 배추흰나비에만 선택적으로 살충성을 나타내고 나머지 곤충에 대해서는 전혀 살충성이 없거나, 있어도 매우 낮음을 알 수 있다.
이상의 결과에서 보듯이 본 발명의 cryIK 유전자는 지금까지 밝혀진 바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringiensis) 독소단백질 유전자와 염기서열상으로 차별화되는 새로운 유전자이며, 이로부터 발현된 단백질은 배추흰나비 제어에 효율적으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 누에에 대해서는 독성이 없으므로 양잠농가 주변에서도 안심하고 사용할 수 있는 등 유용한 미생물 농약으로서의 사용이 가능하다.

Claims (14)

  1. 다음과 같은 염기서열로 표시된 신규한바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringi
    ensis) cryIK 유전자.
  2. 다음과 같이 표시된 아미노산 서열을 코오드화하는 신규한 바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringiensis) cryIK 유전자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 cryIK 유전자 또는 그 일부를 하이브리드 프로브로 사용하기 위해 라벨링시킨 것을 특징으로 하는 cryIK 유전자.
  4. 제1항 또는 제2항의 유전자를 함유하는 재조합 플라스미드.
  5. 제1항 또는 제 2항의 유전자에 의해 생성되는 나비목 독성단백질.
  6. 제4항의 재조합 플라스미드로 형질도입된 것을 특징으로 하는 박테리아의 순수 배양물.
  7. 제6항에 있어서, 상기 박테리아는 대장균(Escherichia coli)JM109/pF190(K
    CTC 8690P)인 것을 특징으로 하는 박테리아의 순수배양물.
  8. 제4항의 재조합 플라스미드로 형질도입된 것을 특징으로 하는 곰팡이의 순수배양물.
  9. 농업적으로 이용가능한 수용체와 상기 제5항의 단백질로 구성된 것을 특징으로 하는 살충제 조성물.
  10. 농업적으로 이용가능한 수용체와 상기 제6항에 따른 단백질의 순수배양물 및 이 박테리아에서 생성되는 나비목 독성단백질로 구성된 것을 특징으로 하는 살충제 조성물.
  11. 기존의 cryI 단백질의 효과량과 상기 제5항의 나비목 독성단백질로 구성된 것을 특징으로 하는 살충제 조성물.
  12. 상기 제5항의 나비목 독성단백질의 살충효과량을 나비목 곤충의 숙주식물에 살포하는 것을 특징으로 하는 나비목 곤충의 조절방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 나비목 독성단백질이 대장균(Escherichia coli) 또는 바실러스 츄린겐시스(Bacillus thuringiensis) 내에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 나비목 곤충의 조절방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 나비목 곤충은 배추흰나비인 것을 특징으로 하는 나비목 곤충의 조절방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100405991B1 (ko) * 2000-12-15 2003-11-15 한국생명공학연구원 포자형성 의존성 프로모터를 이용한 목적 단백질의 생산방법
KR100657013B1 (ko) * 2004-11-25 2006-12-12 이동현 살충성과 항진균성을 동시에 갖는 신규한 바실러스 츄린겐시스 아종 소또 00-fz46-12(kctc10717bp) 및 이를 이용한 살충 및 살진균 방법

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