A Winter School on Modeling Biological Ion Transport and Interfacial/Confined Water by Metal-Oxide-Based Nano-Objects will be held for postdocs and graduate students from March 4 to 10, 2007 at CAS-MPG Partner Institute for Computational Biology (PICB) in Shanghai.  The course is free, and the deadline for application is 20th Dec. 2006.Students of any nationality may apply.

    Members of the Organizing Committee include Achim MÜLLER from Bielefeld, Germany and Andreas DRESS from PICB, Shanghai, China.

    Cells are busy areas in biological processes exhibiting traffic through pores and transmitter channels in all directions, from the cell surface to the interior and back. A condition for this activity is that specific pores/channels are opened, at least temporarily, due to a response to stimuli such as a change in voltage across the membrane (voltage gated channels), a mechanical stress, or binding of a ligand (ligand directed channels) [1]. For living cells, exact control of the uptake and release of "species" is essential as cells can only function if they maintain concentrations of ingredients – such as ions – far beyond those of their local environment. Controlled transport of ions across biological membranes is at the heart of a number of key cellular processes, such as the generation of action potentials in neurons [2]. The corresponding impulses allow communication between cells, for example, instructing muscle cells to contract. We will refer in the school (only!) to modeling this type of processes by employing soluble anionic spherical metal-oxide-based capsules of the type Mo132 with well-defined pores/channels, that is, we are considering the transport of (biologically relevant) cations from bulk solution through pores and channels into the cavities of capsules that act in a special sense as artificial cells (see also below). In this context the chemistry of polyoxometalates (POMs) as well as their properties, both related to the present topic, will be discussed.

    The importance of ion channels is underlined by the fact that quite recent Nobel Prizes were awarded to Roderick MacKinnon and Peter Agre (see under [3] the references for the Nobel lectures) for their discoveries concerning channels in cell membranes clarifying "how salts (ions) and water are transported out of and into the cells of the body" (quoting the Royal Swedish Academy of Sciences).

    The medical point of view is interesting, not only in context of the special Li+/Na+ counter-transport related to hypertension [4a] (Li salts are used for the treatment of dipolar disorder/manic depressions), but also from a more general point of view regarding related aspects of toxicology [4b]. Defects in ion channels can cause serious physiological disorders. Genetic defects in the voltage directed Na+ channel of the plasma membrane of muscle cells lead to diseases in which the muscle is either paralysed from time to time or gets stiff (Paramyotonia congenita). Furthermore, it is worth mentioning that natural toxines interact with ion channels in rather specific ways. Dendrotoxine for instance, the black mamba's poison and an active component of curare – the arrow poison used in the Amazon region by the natives – causes disorders by interfering with ion channels.

    As mentioned above the PICB Winter School on "Modeling Biological Ion Transport and Interfacial/Confined Water by Metal-Oxide-Based Nano-Objects" will focus on a new approach towards modeling the above mentioned cation transport processes by employing soluble porous anionic metal-oxide-based clusters of spherical shape like the Mo132 type clusters that act in this respect as artificial cells (but also in the sense that these show a kind of "cell response to stimuli"); this means the approach considers the transport of  biologically relevant cations from bulk solutions through the pores/channels into the capsule cavities and possibly back [5a]. Interestingly, biologically relevant cation-countertransport  can also be modeled [5b]. For the related basic polyoxometalate chemistry of the model compounds, see ref. [6].

    The Winter School will furthermore refer to confined/interfacial water which also plays a key role in the present type of cation transport under in vivo as well as under modeling conditions [5a]. Water is, whether confined or in contact with surfaces on a nanometre scale, of paramount importance in a variety of scenarios, especially including those in the biosphere, i.e. concerning cells, proteins, and membranes [7]. There is the option of getting general information with respect to interfacial as well as confined water properties by investigating water interactions with the internal and external surface of the nano-scaled hydrophilic metal-oxide-based clusters under consideration [8]. In this respect we should also refer to the anionic, wheel-shaped {Mo154} species [9] which assemble to new types of spherical, hollow vesicles encompassing about 1200 such wheels [10], which is caused by the structurally well-defined water on the surface acting as glue [11]. The observed structure-formation process resembles a little bit the much-studied scenario of the amoeba Dictyostelium discoideum that initiates social assembly in case of food shortage via chemotaxis involving cyclicadenosin monophosphate (CAMP) [12]. Here, one may speculate about water itself as an early chemotactical agent bringing chemistry to life.

    The subject of modeling the mentioned biological ion transport was highlighted in:

    • N. Hall, "Bringing inorganic chemistry to life",  Chem. Commun. (2003), 803 (focus article).

    • M. Gross, "Encapsulating Chemistry", Chemistry in Britain, August Issue (2003), p. 18.

    • M. Gross, "A small ion in a small capsule: New synthetic capsules may aid cross-membrane ion transport", Chemistry World, Vol. 1, Issue 11 (2004), p. 18.

    • D. Bradley, "Mueller light", Spectroscopy Now: NMR Knowledge Base, 1.12.2005; http://www.spectroscopynow.com/

    • D. Bradley, "Molybdenum models", The Alchemist Newsletter, 6.9.2005; 
http://www.chemweb.com/

    • M. Gross, "Molecular guests stay at the gates", Chemistry World, Vol. 3, February Issue (2006), p. 16.

    • L. Cronin, "Inorganic Molecular Capsules: From Structure to Function", Angew. Chem. Int. Ed. (2006), 45, 3576-3578.

    • M. Freemantle, "Artificial Cells Allow Ion Entry: Porous Inorganic Capsules Serve as Models for Biological Ion-Transport Processes", Chemical & Engineering News (2005), November 28, 83/48, p. 10.

    For further information, see literature below.

    The discussed phenomena will be presented by scientists from different fields (see below). Apart from a general lecture about basic polyoxometalate (POM) chemistry, the properties of relevant model compounds important for understanding of the main topic of the school will be expounded.

    Topics to be presented:

    • NMR study of the different types of cation uptake/release processes.

    • Properties of the spherical capsules/artificial cells studied with different physical methods.

    • Modeling water aggregates encapsulated in capsules.

    • Structures of the model species.

    • Modeling water-molybdenum-oxide cluster interactions with different methods like dielectric relaxation and quantum chemical calculations.

    • Assembly of the present type of species in solution to vesicles.

    • General aspects of cation polyoxometalate interactions.

    • Quantum chemical characterization of POMs.

    Important to note is that the model compounds we refer to can be obtained in facile syntheses [13].

    The following scientists who are experts in the fields just mentioned contribute to the course:

    Piero BAGLIONI (Firenze, Italy)

    Carles BO (Tarragona, Spain)

    Hartmut BÖGGE (Bielefeld, Germany)

    Martin CHAPLIN (London, UK)

    Michel CHE (Paris, France)

    Lee CRONIN (Glasgow, UK),

    Félix FERNÁNDEZ-ALONSO  (Chilton, Didcot, UK)

    Thorsten GLASER (Bielefeld, Germany)

    Marc HENRY (Strasbourg, France)

    Craig HILL (Atlanta, USA)

    Tianbo LIU (Bethlehem, PA, USA)

    Josep POBLET (Tarragona, Spain)

    Dieter REHDER (Hamburg, Germany)

    Hermann WEINGÄRTNER (Bochum, Germany)

    Ira WEINSTOCK (Beer Sheva, Israel)

    Literature

    (Titles have been mentioned in some cases where they are very informative)

    [1] B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter, Molecular Biology of the Cell, Garland Science, New York, 4th ed., 2002; S. Frings, J. Bradley, Eds., Transduction Channels in Sensory Cells, Wiley-VCH, Weinheim, 2004.

    [2] a) L. F. Reichardt, R. B. Kelly, Ann. Rev. Biochem. 1983, 52, 871; b) G. C. Matthews, Neurobiology: Molecules, Cells and Systems, 2nd ed., Blackwell, Oxford, 2001, chap. 4.

    [3] R. MacKinnon, "Potassium Channels and the Atomic Basis of Selective Ion Conduction" (Nobel Lecture), Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 4265; P. Agre, "Aquaporin Water Channels" (Nobel Lecture), Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 4278.

    [4] a) P. Strazzullo, A. Siani, F. P. Cappuccio, M. Trevisan, E. Ragone, L. Russo, F. Stinga, E. Farinaro, Hypertension 1998, 31, 1284; see also H.-B. Kraatz, N. Metzler-Nolte (Eds.), Concepts and Models in Bioinorganic Chemistry (especially the section: Lithium in Psychiatry: The Dose-Response Relationship: K. H. Thompson, C. Orvig, chap. 2, Medical Inorganic Chemistry), Wiley-VCH, Weinheim, 2006, p. 29; b) D. L. Nelson, M. M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, Freemann, New York, 2000.

    [5] a) E. T. K. Haupt, C. Wontorra, D. Rehder, A. Müller, "Porous inorganic capsules in action: modelling transmembrane cation-transport parameter-dependence based on water as vehicle", Chem. Commun. 2005, 3912; b) D. Rehder, E. T. K. Haupt, H. Bögge, A. Müller, "Countercation Transport Modeled by Porous Spherical Molybdenum Oxide Based Nanocapsules", Chem. Asian J. 2006, 1-2, 76; see also: A. Müller, D. Rehder, E. T. K. Haupt, A. Merca, H. Bögge, M. Schmidtmann, G. Heinze-Brückner, Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 4466 (corrigendum: Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 5115).

    [6] a) A. Müller, S. Roy, "Multifunctional metal oxide based nanoobjects: spherical porous capsules/artificial cells and wheel-shaped species with unprecedented materials properties", J. Mater. Chem. 2005, 15, 4673; b) A. Müller, S. Roy, Coord. Chem. Rev. 2003, 245, 153; c) L. Cronin in Comprehensive Coordination Chemistry II, Vol. 7 (Eds.-in-chief: J. A. McCleverty, T. J. Meyer), Elsevier, Amsterdam, 2004, p. 1; d) M. T. Pope, Heteropoly and Isopoly Oxometalates, Springer, Berlin, 1983; e) M. T. Pope, A. Müller, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1991, 30, 34; f) D.-L. Long, L. Cronin, Chem. Eur. J. 2006, 12, 3698; g) P. Gouzerh, M. Che, L'Actualité Chimique 2006, No. 298, June issue, 9.

    [7] "Small scale water" plays a crucial role in nerve signalling, the behaviour of DNA, hydrophobic forces related to protein folding as well as active hydrogen bonds involved in protein interactions via bridges between protein binding sites and substrates: a) P. Ball, H2O: A Biography of Water, Weidenfeld & Nicolson, London, 1999; b) P. M. Wiggins, Role of Water in Some Biological Processes, Microbiol. Rev. 1990, 54, 432; c) see also different contributions in the special issue "Water in the Cell" (guest Ed.: P. Mentré), in Cellular and Molecular Biology, 2001, 47 (no. 5); d) R. B. Gregory (Ed.), Protein-Solvent Interactions, Dekker, New York, 1995; e)  G. W. Robinson, S. Singh, S.-B. Zhu, M. W. Evans, Water in Biology, Chemistry and Physics: Experimental Overviews and Computational Methodologies, World Scientific Publishing, 1999; f) P. Ball, Nature 2005, 436, 1084; g) J. Swenson, R. Bergman, W. S. Howells, J. Chem. Phys. 2000, 113, 2873.

    [8] M. Henry, H. Bögge, E. Diemann, A. Müller, J. Mol. Liquids 2005, 118, 155; G. Zosimo-Landolfo, "À la découverte de l'eau", Biofutur 2003 (N° 230), February issue, p. 17.

    [9] A. Müller, C. Serain, Acc. Chem. Res. 2000, 33, 2.

    [10]  T. Liu, E. Diemann, H. Li, A. W. M. Dress, A. Müller, Nature 2003, 426, 59; see also: T. Liu, B. Imber, E. Diemann, G. Liu, K. Cokleski, H. Li, Z. Chen, A. Müller, J. Am. Chem. Soc. 2006 (in press) and papers of T. Liu cited therein.

    [11]  A. Oleinikova, H. Weingärtner, M. Chaplin, E. Diemann, H. Bögge, A. Müller "Self-Association Based on Glue Type Interfacial/Confined Highly Structured Water Leads to {Mo154}1165 Super-Clusters: A Dielectric Relaxation Study", ChemPhysChem, submitted.

    [12] L. Eichinger et al., Nature 2005, 435, 43.

    [13] The basic spherical and wheel-shaped species can be obtained in facile syntheses: A. Müller, S. K. Das, E. Krickemeyer, C. Kuhlmann, Inorg. Synth. (Ed. J. R. Shapley) 2004, 34, 191; L. Cronin, E. Diemann, A. Müller, in Inorganic Experiments (Ed. J. D. Woollins), Wiley-VCH, Weinheim, 2003, p. 340.

    CONDITIONS for Applications

    Students of any nationality can apply. A maximum of 30 students will be accepted.

    The course is free, but every student has to cover costs for lodging and meals which will be rather moderate. Applications including a CV and an outline of the applicant's motivation for participation must be submitted via the online register or via email to  and should be accompanied by two letters of recommendation (also sent electronically). Applications will be assessed by the scientific committee, with selection being based on the following criteria: the scientific quality of the candidate (CV), recommendation letters, and evidence that the course affords substantial benefit to the candidate's training.

    DEADLINE:  Apply BEFORE 20th Dec. 2006.