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Aus hölzernen Cellulosen und Hemicellulosen können durch enzymatische Hydrolyse fermentierbare Zucker für die Herstellung von Chemikalien und Treibstoffen gewonnen werden. Die bisherige Forschung fokussiert sich oft auf die Nutzung dieser Zucker zur Gewinnung von Ethanol. Daneben muss aber auch die stoffliche Nutzung zur Gewinnung von Grundchemikalien berücksichtigt werden. Eine solche Grundchemikalie ist Itakonsäure. Obwohl die biotechnologische Itaconsäureproduktion bereits eingehend untersucht und etabliert ist, gestaltet sie sich im Rahmen von Bioraffinerien der zweiten Generation als schwierig, da der überwiegend verwendete Produktionsorganismus gegen eine weite Bandbreite von Inhibitoren sensibel ist. Die Herstellung von Itaconsäure aus Buchenholzhydrolysaten wird im Rahmen der deutschen Lignocellulose-Bioraffinerie entwickelt. Die unbehandelten Hydrolysate ermöglichen weder das Wachstum von Aspergillus terreus noch die Bildung von Itaconsäure. Daher werden Möglichkeiten zur Konditionierung des Hydrolysates mit dem Ziel einer Itaconsäureproduktion mit hohen Ausbeuten und Konzentrationen vorgestellt.
In der Molkeverarbeitung dominieren Membranfiltrationsverfahren die Prozessführung. Hierbei werden üblicherweise Aufkonzentrierungen der Proteine und deren Trennung von dem Milchzucker Lactose durchgeführt. Der Prozess der adsorptiven Aufreinigung soll als kostengünstige Alternative zu den bisher gebräuchlichen Verfahren dienen. Weiterhin eröffnet sich durch das Verfahren die Möglichkeit, einzelne Proteinfraktionen während der Verarbeitung anzureichern. Als Proteinquellen wurden für die Untersuchungen Modellproteine, Lösungen aus Molkenproteinisolat, Dünnmolke und Molkekonzentrat verwendet. Die Eignung zur Proteinbindung wurden an Tonmaterialien, Silicaten und y-Aluminiumoxiden in Pulverform, in Form von Granulaten sowie Extrudaten als auch sphärischen Partikeln überprüft. Adsorbentien aus Bentonit/Silica und c-Aluminiumoxid können sowohl a-Lactalbumin (aLA) als auch b-Lactoglobulin (bLG) binden, wohingegen Materialien aus Siliciumoxid lediglich ein starkes Adsorptionsverhalten gegenüber bLG zeigen. Mischmaterialien aus Siliciumoxid und a-Aluminiumoxid zeigen dasselbe Verhalten wie Materialien aus Siliciumoxid, weisen jedoch eine geringere Kapazität auf. Die Materialen wurden hinsichtlich ihres Einsatzes in chromatographischen Verfahren und Batch-Prozessen untersucht und ein Prozessentwurf für einen zweistufigen Batch-Prozess im Rührkessel erarbeitet.
Gräser sind in der Lage, einen großen Teil der für eine biobasierte Wirtschaft benötigten Biomasse zur Verfügung zustellen. Um eine ganzjährige Nutzung des Grases zu gewährleisten, muss eine stabile Lagerung des Grases erreicht werden, was z. B. durch Silieren möglich ist. Die konservierende Wirkung der Silierung beruht auf der Bildung organischer Säuren. Um diese zu gewinnen, wird die Silage gepresst, die organischen Säuren über Flüssig/Flüssig-Extraktion aus dem Presssaft abgetrenntund mittels chromatographischer Methoden weiter aufgereinigt. Im präsentierten Konzept werden die im Presskuchen enthaltenen Lignocellulosen hydrolysiert und die erhaltenen Monosaccharide zu Ethanol fermentiert. Die Phenolsäuren, die in Gräsern die Rolle des Lignins übernehmen, können simultan mit der Hydrolyse der Polysaccharide enzymatisch abgetrennt und als Nebenprodukt gewonnen werden. Die nach der Abtrennung des Ethanols verbleibenden Fermentationsreststoffe werden für die Herstellung von Biogas verwendet.
Die selektive Isolierung von Cephalosporin C (CPC) aus komplexen Fermentationssuspensionen unter Einsatz magnetischer Separation ist das Ziel dieser Arbeit. Das Verfahren wird im frühen Stadium der Aufarbeitung genutzt, um CPC zu stabilisieren und somit die Produktausbeute zu erhöhen. Als Adsorbersysteme für CPC wurden neben einem projektinternen magnetischen Material ND 10322, dessen Oberflächenladungen spezifisch für die Bindung des Zielmoleküls synthetisiert wurden, verschiedene kommerzielle Partikelsysteme verglichen. Es konnten massenspezifische Maximalbeladungen von 51 mg g⁻¹ erreicht werden. Weiterhin wurde die Stabilität von CPC untersucht. Unter optimalen Adsorptionsbedingungen kann CPC stabilisiert werden, so dass die Geschwindigkeitskonstante der Degradation des b-Lactam-Rings unter diesen Bedingungen unter 0,005 h⁻¹ liegt. Untersuchungen zur Wiederverwertbarkeit der neuen Adsorbers zeigten eine irreversible Bindung geringer CPC-Mengen nach dem ersten Einsatz. Nach zwölf Zyklen tritt eine irreversible Bindung von CPC ein, was zu einer signifikanten Reduktion der Adsorptionsfähigkeit führt. Die Anhäufung des CPC auf dem Adsorber konnte durch IR-Untersuchungen auf die Bildung einer Peptidbindung zwischen Carboxylgruppen des CPC und Aminogruppe der Adsorberoberfläche zurückgeführt werden.
Glucose ist ein primäres Zwischenprodukt der Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe, wie z. B. Cellulose. Die wertsteigernde Weiterverarbeitung des Monosaccharids erfolgt häufig in Form vonFermentationsprozessen, jedoch kann der Rohstoff auch für zahlreiche chemische Verarbeitungsstufen genutzt werden. Ein großtechnisch relevanter Prozess ist die Herstellung von Gluconsäure (GS), die u. a. als Nahrungsmittelzusatz (E 574) eingesetzt wird. Die Darstellung der Säure erfolgt durch Oxidation von Glucose mit magnetisierbarem Gold-Nano-Katalysator. Die Rückgewinnung des Katalysators aus der Reaktionslösung wurde unter Einwirkung eines Magnetfeldgradienten verwirklicht. Die Synthese der magnetischen Goldkatalysatoren (sowohl Trägerpartikel als auch Gold-Nanopartikel) wurde durch nass-chemische Fällungsreaktionen durchgeführt. Die Charakteristiken der neuen Materialen konnte durch Messungen des PCD-Potenzials, Laserbeugung und REM/EDX untersucht werden. So wurden u. a. Partikeldurchmesser von 25 lm und ein Goldgehaltvon 1,03 % ermittelt. Weiterhin wurden für die Goldkatalysatoren optimale Reaktionsbedingungen für die Glucoseoxidation im geregelten Rührkesselreaktor etabliert. Hierdurch konnten eine Produktselektivität von 100 % und eine Wiederverwendbarkeit der Partikel über mindestens zehn Zyklen erreicht werden.
Die Lösungsmittelherstellung durch Clostridien konnte wirtschaftlich nicht mit der chemischen Synthese von Lösungsmitteln auf Erdölbasis konkurrieren und wurde in den frühen 1960er Jahren nahezu vollständig eingestellt. Das Interesse an nachwachsenden Rohstoffen hat in den letzten Jahren zu einem Wiederaufleben der ABE-Fermentation geführt. Aufgrund seiner höheren Energiedichte im Vergleich zu Ethanol ist Biobutanol als Energieträgerbesonders interessant und bietet sich z. B. als Produkt einer Bioraffinerie der 2. Generation an. Für die beschriebenen Experimente wird durch das Organosolv-Verfahren aufgeschlossenes Buchenholz verwendet. Der Faserstoff wird mithilfe von CTec2-Enzymen hydrolysiert, wobei der erhaltene Überstand eine Glucosekonzentration von 66 g L⁻¹ aufweist. Auf der Basis dieses Materials können mit Clostridium acetobutylicum Butanol-Ausbeuten erzielt werden, die mit denen unter Verwendung von reinen Zuckern vergleichbar sind. Dem Problem der hohen Produktinhibierung wird mit einer In-situ-Produktaufarbeitung begegnet. Mithilfe von Lösungsmittelimprägnierten Partikeln (SIPs) kann die Produktausbeute drastisch gesteigert werden, indem die gebildeten Lösungsmittel durch das auf dem Partikel imprägnierte Lösungsmittel während der Fermentation extrahiert werden. Zudem wird hierdurch die weitere Produktaufarbeitungstark vereinfacht.
The molecular events during nongenotoxic carcinogenesis and their temporal order are poorly understood but thought to include long-lasting perturbations of gene expression. Here, we have investigated the temporal sequence of molecular and pathological perturbations at early stages of phenobarbital (PB) mediated liver tumor promotion in vivo. Molecular profiling (mRNA, microRNA [miRNA], DNA methylation, and proteins) of mouse liver during 13 weeks of PB treatment revealed progressive increases in hepatic expression of long noncoding RNAs and miRNAs originating from the Dlk1-Dio3 imprinted gene cluster, a locus that has recently been associated with stem cell pluripotency in mice and various neoplasms in humans. PB induction of the Dlk1-Dio3 cluster noncoding RNA (ncRNA) Meg3 was localized to glutamine synthetase-positive hypertrophic perivenous hepatocytes, sug- gesting a role for β-catenin signaling in the dysregulation of Dlk1-Dio3 ncRNAs. The carcinogenic relevance of Dlk1-Dio3 locus ncRNA induction was further supported by in vivo genetic dependence on constitutive androstane receptor and β-catenin pathways. Our data identify Dlk1-Dio3 ncRNAs as novel candidate early biomarkers for mouse liver tumor promotion and provide new opportunities for assessing the carcinogenic potential of novel compounds.
The highly polymorphic human cytochrome P450 2D6 enzyme is involved in the metabolism of up to 25% of all marketed drugs and accounts for significant individual differences in response to CYP2D6 substrates. Because of the differences in the multiplicity and substrate specificity of CYP2D family members among species, it is difficult to predict pathways of human CYP2D6-dependent drug metabolism on the basis of animal studies. To create animal models that reflect the human situation more closely and that allow an in vivo assessment of the consequences of differential CYP2D6 drug metabolism, we have developed a novel straightforward approach to delete the entire murine Cyp2d gene cluster and replace it with allelic variants of human CYP2D6. By using this approach, we have generated mouse lines expressing the two frequent human protein isoforms CYP2D6.1 and CYP2D6.2 and an as yet undescribed variant of this enzyme, as well as a Cyp2d cluster knockout mouse. We demonstrate that the various transgenic mouse lines cover a wide spectrum of different human CYP2D6 metabolizer phenotypes. The novel humanization strategy described here provides a robust approach for the expression of different CYP2D6 allelic variants in transgenic mice and thus can help to evaluate potential CYP2D6-dependent interindividual differences in drug response in the context of personalized medicine.
Compared with rodents and many other animal species, the human cytochrome P450 (P450) Cyp2c gene cluster varies significantly in the multiplicity of functional genes and in the substrate specificity of its enzymes. As a consequence, the use of wild-type animal models to predict the role of human CYP2C enzymes in drug metabolism and drug-drug interactions is limited. Within the human CYP2C cluster CYP2C9 is of particular importance, because it is one of the most abundant P450 enzymes in human liver, and it is involved in the metabolism of a wide variety of important drugs and environmental chemicals. To investigate the in vivo functions of cytochrome P450 Cyp2c genes and to establish a model for studying the functions of CYP2C9 in vivo, we have generated a mouse model with a deletion of the murine Cyp2c gene cluster and a corresponding humanized model expressing CYP2C9 specifically in the liver. Despite the high number of functional genes in the mouse Cyp2c cluster and the reported roles of some of these proteins in different biological processes, mice deleted for Cyp2c genes were viable and fertile but showed certain phenotypic alterations in the liver. The expression of CYP2C9 in the liver also resulted in viable animals active in the metabolism and disposition of a number of CYP2C9 substrates. These mouse lines provide a powerful tool for studying the role of Cyp2c genes and of CYP2C9 in particular in drug disposition and as a factor in drug-drug interaction.
Generation and Characterization of a Novel Multidrug Resistance Protein 2 Humanized Mouse Line
(2012)
The multidrug resistance protein (MRP) 2 is predominantly expressed in liver, intestine, and kidney, where it plays an important role in the excretion of a range of drugs and their metabolites or endogenous compounds into bile, feces, and urine. Mrp knockout [Mrp2(−/−)] mice have been used recently to study the role of MRP2 in drug disposition. Here, we describe the first generation and initial characterization of a mouse line humanized for MRP2 (huMRP2), which is nulled for the mouse Mrp2 gene and expresses the human transporter in the organs and cell types where MRP2 is normally expressed. Analysis of the mRNA expression for selected cytochrome P450 and transporter genes revealed no major changes in huMRP2 mice compared with wild-type controls. We show that human MRP2 is able to compensate functionally for the loss of the mouse transporter as demonstrated by comparable bilirubin levels in the humanized mice and wild-type controls, in contrast to the hyperbilirubinemia phenotype that is observed in MRP2(−/−) mice. The huMRP2 mouse provides a model to study the role of the human transporter in drug disposition and in assessing the in vivo consequences of inhibiting this transporter by compounds interacting with human MRP2.
N,N-Dialkylamino(thiocarbonyl)-N′-picolylbenzamidines react with (NEt4)2[M(CO)3X3] (M = Re, X = Br; M = Tc, X = Cl) under formation of neutral [M(CO)3L] complexes in high yields. The monoanionic NNS ligands bind in a facial coordination mode and can readily be modified at the (CS)NR1R2 moiety. The complexes [99Tc(CO)3(LPyMor)] and [Re(CO)3(L)] (L = LPyMor, LPyEt) were characterized by X-ray diffraction. Reactions of [99mTc(CO)3(H2O)3]+ with the N′-thiocarbamoylpicolylbenzamidines give the corresponding 99mTc complexes. The ester group in HLPyCOOEt allows linkage between biomolecules and the metal core.
Air- and water-stable phenyl complexes with nitridotechnetium(V) cores can be prepared by straightforward procedures. [TcNPh2(PPh3)2] is formed by the reaction of [TcNCl2(PPh3)2] with PhLi. The analogous N-heterocyclic carbene (NHC) compound [TcNPh2(HLPh)2], where HLPh is 1,3,4-triphenyl-1,2,4-triazol-5-ylidene, is available from (NBu4)[TcNCl4] and HLPh or its methoxo-protected form. The latter compound allows the comparison of different Tc–C bonds within one compound. Surprisingly, the Tc chemistry with such NHCs does not resemble that of corresponding Re complexes, where CH activation and orthometalation dominate.
Chelate stabilization of a titanium(IV)–salan alkoxide by ligand exchange with 2,6-pyridinedicarboxylic acid (dipic) resulted in heptacoordinate complex 3 which is not redox-active, stable on silica gel and has increased aqueous stability. 3 is highly toxic in HeLa S3 and Hep G2 and has enhanced antitumor efficacy in a mouse cervical-cancer model.
Persistent infection with high-risk human papillomaviruses (hrHPV) can result in the formation of anogenital cancers. As hrHPV proteins E6 and E7 are required for cancer initiation and maintenance, they are ideal targets for immunotherapeutic interventions. Previously, we have described the development of DNA vaccines for the induction of HPV16 E6 and E7 specific T cell immunity. These vaccines consist of ‘gene-shuffled’ (SH) versions of HPV16 E6 and E7 that were fused to Tetanus Toxin Fragment C domain 1 (TTFC) and were named TTFC-E6SH and TTFC-E7SH. Gene-shuffling was performed to avoid the risk of inducing malignant transformation at the vaccination site. Here, we describe the preclinical safety evaluation of these candidate vaccines by analysis of their transforming capacity in vitro using established murine fibroblasts (NIH 3T3 cells) and primary human foreskin keratinocytes (HFKs). We demonstrate that neither ectopic expression of TTFC-E6SH and TTFC-E7SH alone or in combination enabled NIH 3T3 cells to form colonies in soft agar. In contrast, expression of HPV16 E6WT and E7WT alone or in combination resulted in effective transformation. Similarly, retroviral transduction of HFKs from three independent donors with both TTFC-E6SH and TTFC-E7SH alone or in combination did not show any signs of immortalization. In contrast, the combined expression of E6WT and E7WT induced immortalization in HFKs from all donors. Based on these results we consider it justified to proceed to clinical evaluation of DNA vaccines encoding TTFC-E6SH and TTFC-E7SH in patients with HPV16 associated (pre)malignancies.
A large strain collection comprising antagonistic bacteria was screened for novel detergent proteases. Several strains displayed protease activity on agar plates containing skim milk but were inactive in liquid media. Encapsulation of cells in alginate beads induced protease production. Stenotrophomonas maltophilia emerged as best performer under washing conditions. For identification of wash-active proteases, four extracellular serine proteases called StmPr1, StmPr2, StmPr3 and StmPr4 were cloned. StmPr2 and StmPr4 were sufficiently overexpressed in E. coli. Expression of StmPr1 and StmPr3 resulted in unprocessed, insoluble protein. Truncation of most of the C-terminal domain which has been identified by enzyme modeling succeeded in expression of soluble, active StmPr1 but failed in case of StmPr3.
From laundry application tests StmPr2 turned out to be a highly wash-active protease at 45 °C. Specific activity of StmPr2 determined with suc-l-Ala-l-Ala-l-Pro-l-Phe-p-nitroanilide as the substrate was 17 ± 2 U/mg. In addition we determined the kinetic parameters and cleavage preferences of protease StmPr2.
"Biologie trifft Mikroelektronik", das Motto des Instituts für Nano- und Biotechnologien (INB) an der FH Aachen, unterstreicht die zunehmende Bedeutung interdisziplinär geprägter Forschungsaktivitäten. Der thematische Zusammenschluss grundständiger Disziplinen, wie die Physik, Elektrotechnik, Chemie, Biologie sowie die Materialwissenschaften, lässt neue Forschungsgebiete entstehen, ein herausragendes Beispiel hierfür ist die Nanotechnologie: Hier werden neue Werkstoffe und Materialien entwickelt, einzelne Nanopartikel oder Moleküle und deren Wechselwirkung untersucht oder Schichtstrukturen im Nanometerbereich aufgebaut, die neue und vorher nicht bekannte Eigenschaften hervorbringen.
Vor diesem Hintergrund bündelt das im Jahre 2006 gegründete INB die an der FH Aachen vorhandenen Kompetenzen von derzeit insgesamt sieben Laboratorien auf den Gebieten der Halbleitertechnik und Nanoelektronik, Nanostrukturen und DNA-Sensorik, der Chemo- und Biosensorik, der Enzymtechnologie, der Mikrobiologie und Pflanzenbiotechnologie, der Zellkulturtechnik, sowie der Roten Biotechnologie synergetisch. In der Nano- und Biotechnologie steckt außergewöhnliches Potenzial! Nicht zuletzt deshalb stellen sich die Forscher der Herausforderung, in diesem Bereich gemeinsam zu forschen und Schnittstellen zu nutzen, um so bei der Gestaltung neuartiger Ideen und Produkte mitzuwirken, die zukünftig unser alltägliches Leben verändern werden.
Im Folgenden werden die verschiedenen Forschungsbereiche kurz zusammenfassend vorgestellt und vorhandene Interaktionen anhand von exemplarisch ausgewählten, aktuellen Forschungsprojekten skizziert.
Disruption experiments targeted at the Bacillus licheniformis degSU operon and GFP-reporter analysis provided evidence for promoter activity immediately upstream of degU. pMutin mediated concomitant introduction of the degU32 allele – known to cause hypersecretion in Bacillus subtilis – resulted in a marked increase in protease activity. Application of 5-fluorouracil based counterselection through establishment of a phosphoribosyltransferase deficient Δupp strain eventually facilitated the marker-free introduction of degU32 leading to further protease enhancement achieving levels as for hypersecreting wild strains in which degU was overexpressed. Surprisingly, deletion of rapG – known to interfere with DegU DNA-binding in B. subtilis – did not enhance protease production neither in the wild type nor in the degU32 strain. The combination of degU32 and Δupp counterselection in the type strain is not only equally effective as in hypersecreting wild strains with respect to protease production but furthermore facilitates genetic strain improvement aiming at biological containment and effectiveness of biotechnological processes.
Two types of microvalves based on temperature-responsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) and pH-responsive poly(sodium acrylate) (PSA) hydrogel films have been developed and tested. The PNIPAAm and PSA hydrogel films were prepared by means of in situ photopolymerization directly inside the fluidic channel of a microfluidic chip fabricated by combining Si and SU-8 technologies. The swelling/shrinking properties and height changes of the PNIPAAm and PSA films inside the fluidic channel were studied at temperatures of deionized water from 14 to 36 °C and different pH values (pH 3–12) of Titrisol buffer, respectively. Additionally, in separate experiments, the lower critical solution temperature (LCST) of the PNIPAAm hydrogel was investigated by means of a differential scanning calorimetry (DSC) and a surface plasmon resonance (SPR) method. Mass-flow measurements have shown the feasibility of the prepared hydrogel films to work as an on-chip integrated temperature- or pH-responsive microvalve capable to switch the flow channel on/off.
Bioconjugates containing the GnRH-III hormone decapeptide as a targeting moiety are able to deliver chemotherapeutic agents specifically to cancer cells expressing GnRH receptors, thereby increasing their local efficacy while limiting the peripheral toxicity. However, the number of GnRH receptors on cancer cells is limited and they desensitize under continuous hormone treatment. A possible approach to increase the receptor mediated tumor targeting and consequently the cytostatic effect of the bioconjugates would be the attachment of more than one chemotherapeutic agent to one GnRH-III molecule. Here we report on the design, synthesis and biochemical characterization of multifunctional bioconjugates containing GnRH-III as a targeting moiety and daunorubicin as a chemotherapeutic agent. Two different drug design approaches were pursued. The first one was based on the bifunctional [4Lys]-GnRH-III (Glp-His-Trp-Lys-His-Asp-Trp-Lys-Pro-Gly-NH2) containing two lysine residues in positions 4 and 8, whose ϵ-amino groups were used for the coupling of daunorubicin. In the second drug design, the native GnRH-III (Glp-His-Trp-Ser-His-Asp-Trp-Lys-Pro-Gly-NH2) was used as a scaffold; an additional lysine residue was coupled to the ϵ-amino group of 8Lys in order to generate two free amino groups available for conjugation of daunorubicin. The in vitro stability/degradation of all synthesized compounds was investigated in human serum, as well as in the presence of rat liver lysosomal homogenate. Their cellular uptake was determined on human breast cancer cells and the cytostatic effect was evaluated on human breast, colon and prostate cancer cell lines. Compared with a monofunctional compound, both drug design approaches resulted in multifunctional bioconjugates with increased cytostatic effect.
Thin films of poly(ethyleneterephthalate) [PET]were exposed to radiation dose ranging from 10 to 30 kGy by using gamma rays in the range 12.8-177.8 MGy using swift light ions of hydrogen. There was no effect of the radiation dose on the optical behaviour of PET as a result of exposure to radiation dose up to 30 kGy brought about by gamma rays but a significant decrease in the optical band gap values was observed when PET was exposed to swift light ions of hydrogen. The data obtained are discussed in terms of optical studies carried out on PET using swift heavy ions.
Mit freundlicher Genehmigung der Autoren und des Oldenbourg Industrieverlags https://www.oldenbourg-industrieverlag.de/de/9783835633223-33223 erschienen als Beitrag im Tagungsband zur AALE-Tagung 2012. 9. Fachkonferenz 4.-5. Mai 2012, Aachen, Fachhochschule. ISBN 9783835633223 S 5-1 S. 127-135 Es werden Ergebnisse unterschiedlicher Projekte aus dem Bereich der Simulation von Wärmeübertragungsprozessen mit Excel-VBA vorgestellt. - Thermische Behandlung hochviskoser Fruchtzubereitungen, verschiedene Projekte und Kooperationen mit der Zentis GmbH & Co. KG, Aachen (J. Becker, U. Feuerriegel, G. Wersch). - Untersuchung des dynamischen Verhaltens von dampfbeheizten Ethylen-Verdampfern. Projekt mit der TGE Gas Engineering GmbH, Bonn (M. Ecker, U. Feuerriegel, U. Hoffmann, S. Wittenhorst). - Dynamische Simulation des axialen Temperaturverlaufs von elektrisch beheizten Rohrreaktoren. Kooperation mit dem Institut für Chemische Verfahrenstechnik, TU Clausthal (U. Feuerriegel, U. Kunz, M. Pook, S. Wittenhorst).