Jetes líquidos recubiertos con PEO aumentan la estabilidad en la entrega de muestras para cristalografía de rayos X por femtosegundo en serie

Películas más nítidas de las moléculas

Comprender cómo funciona la maquinaria de la vida a menudo equivale a filmar proteínas en acción con “cámaras” de rayos X que disparan millones de veces por segundo. Pero para tomar estas películas a escala atómica, los científicos deben introducir un flujo constante de diminutos cristales en el haz sin malgastar muestras valiosas ni obstruir equipos delicados. Este artículo muestra cómo envolver chorros líquidos rápidos en una fina capa de un polímero común, el óxido de polietileno (PEO), hace que esos flujos sean mucho más estables, abriendo nuevas ventanas a los movimientos ultrarrápidos de proteínas complejas.

Por qué importan los chorros diminutos

Los modernos láseres de electrones libres de rayos X pueden emitir destellos increíblemente brillantes que duran solo unas decenas de femtosegundos —lo bastante cortos como para que un cristal proteico difracte antes de ser destruido. En la cristalografía por femtosegundo en serie, millones de estos destellos impactan cada uno un microcristal fresco transportado a través del haz en un chorro líquido de grosor capilar. Cuanto más a menudo un pulso de rayos X golpea realmente un cristal (la “tasa de impactos”), y cuantos más de esos impactos pueden interpretarse en estructura (la “tasa de indexado”), más rápido pueden los científicos construir imágenes 3D completas. Sin embargo, el chorro debe ser delgado, rápido y extraordinariamente estable, especialmente a tasas de repetición en megahercios donde los pulsos llegan con menos de un microsegundo de separación.

Límites de los flujos líquidos actuales

Los inyectores estándar exprimen un único chorro líquido con un gas circundante (boquillas virtuales dinámicas de gas), o añaden una segunda capa líquida como funda estabilizadora (boquillas de enfoque de flujo doble). Estos enfoques funcionan bien para muestras acuosas, pero muchas de las proteínas de membrana más interesantes solo cristalizan en soluciones espesas y viscosas, ricas en polietilenglicol (PEG). Tales mezclas viscosas se resisten a ser estiradas en un chorro fino, lo que provoca oscilaciones, fragmentación y mayor riesgo de obstrucciones. Los intentos de estabilizarlas con una funda de etanol ayudan a alargar el chorro pero a menudo obligan a los investigadores a reducir la tasa de flujo de la muestra, lo que a su vez disminuye la tasa de impactos y prolonga los tiempos de recogida de datos.

Un recubrimiento polimérico para flujos súper estables

Los autores probaron una estrategia distinta: rodear el líquido portador de cristales con una solución diluida de PEO en lugar de etanol. Bajo las fuerzas extremas de estiramiento cerca de la punta de la boquilla, las largas cadenas de PEO se estiran y forman una cubierta viscoelástica alrededor del flujo central. Esta funda hace que el chorro sea mucho más fino y más de cuatro veces más largo que chorros comparables cubiertos con agua o etanol, mientras sigue produciendo una dispersión de fondo muy baja —esencial para imágenes de difracción claras. Los chorros largos, a veces superiores a un milímetro, permiten experimentos pump–probe con retardos de tiempo de decenas de microsegundos, llenando un hueco entre los estudios XFEL más rápidos y las medidas más lentas en sincrotrón.

Pruebas con proteínas reales

Para comprobar si esto funciona con blancos biológicos reales, el equipo suministró microcristales de una enzima modelo pequeña (lisozima) y de fotosistema II, un gran complejo de membrana clave en la fotosíntesis. Para lisozima en tampones de baja y media viscosidad, los chorros recubiertos con PEO mantuvieron buenas tasas de impacto e indexado con un flujo de muestra sustancialmente reducido, lo que significa que los conjuntos de datos completos aún podían recogerse en pocos minutos. Para el fotosistema II en un tampón particularmente espeso y rico en PEG —condiciones notoriamente difíciles de inyectar— la cubierta de PEO produjo chorros largos y rectos y dio lugar a los mejores datos por chorro líquido obtenidos hasta la fecha en el European XFEL, aunque la tasa de impactos permaneció modesta. Simulaciones de probabilidades de presencia de cristales en el chorro confirmaron que, con un tamaño de haz de rayos X y un tamaño de cristal adecuadamente ajustados, las tasas de impacto del 3–5% deberían ser alcanzables de manera rutinaria.

Mezclar reacciones en vuelo

A partir de este éxito, los investigadores diseñaron una nueva boquilla de “flujo triple” que combina micromezclado y funda de PEO en un único dispositivo impreso en 3D. Dos canales internos reúnen una suspensión proteica y una solución reactiva, permitiendo que las moléculas comiencen a reaccionar mientras se difunden entre sí durante decenas de milisegundos en un estrecho canal de mezcla. Un tercer canal añade entonces la solución de PEO, y el flujo de gas enfoca todo en un único chorro viscoelástico. Este inyector compacto está diseñado para experimentos de “mezclar‑e‑inyectar”, donde los científicos siguen cómo las enzimas u otras proteínas cambian de forma tras unirse a un sustrato o sufrir una reacción redox.

Vistas más claras y rápidas de la vida en movimiento

En términos sencillos, el estudio demuestra que dar a los chorros líquidos un recubrimiento polimérico flexible hace que se comporten mucho mejor bajo las duras condiciones de experimentos de rayos X a alta velocidad. Las cadenas de PEO estiradas actúan como amortiguadores microscópicos, manteniendo el chorro intacto el tiempo suficiente para que muchos pulsos puedan sondear cristales frescos, incluso en soluciones pegajosas y ricas en PEG que antes causaban problemas. Como resultado, los investigadores pueden usar condiciones de muestra más realistas, explorar una gama más amplia de retardos temporales y recopilar datos estructurales de alta calidad de manera más eficiente. Este mejor control de los diminutos flujos líquidos nos acerca a filmar de forma rutinaria los pasos más rápidos de la fotosíntesis, la catálisis enzimática y otros procesos biológicos fundamentales con un detalle sin precedentes.

Cita: Vakili, M., Bajt, S., Bielecki, J. et al. PEO-sheathed liquid jets increase sample delivery stability for serial femtosecond X-ray crystallography. Sci Rep 16, 10497 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44308-8

Palabras clave: cristalografía por femtosegundo en serie, entrega de muestras por chorro líquido, funda de polietilenglicol oxido (PEO), láser de electrones libres de rayos X, cristalografía proteica resuelta en el tiempo