La tecnología Flow Focusing, (también conocida como GDVN, Gas Dynamic Virtual Nozzle), ha sido uno de los elementos clave en el éxito de los primeros experimentos desarrollados por el proyecto European XFEL, la mayor fuente de rayos X del mundo en la actualidad. Se trata de una herramienta creada y desarrollada por el profesor de Mecánica de Fluidos Alfonso Gañán Calvo, de la ETS de Ingeniería de la Universidad de Sevilla. Esta tecnología, que ha servido de vehículo para el estudio de muestras biológicas microscópicas, sitúa a la Universidad de Sevilla entre las instituciones a la vanguardia mundial en el uso de los XFEL (X-Ray Free-Electron Laser).

Tecnología Flow Focusing.

El avance fundamental obtenido en el proyecto European XFEL es el aumento del número de datos por segundo que consigue obtener en el análisis de una muestra. Este logro es posible gracias al empleo de una frecuencia de pulsos que no se había usado hasta ahora, más de un megahercio. Para ello, se necesita una elevada tasa de renovación, es decir, que cada pulso se encuentre con muestras limpias, no afectadas por el pulso anterior. Por tanto, deben ser alimentadas con la velocidad suficiente.

“Se trata de fotografiar o “cazar” a las moléculas usando un flash ultra-rápido y ultra-potente, antes de que las muestras se desintegren por la intensísima radiación ionizante recibida”, explica el profesor Gañán.

Las muestras biológicas (normalmente microcristales de proteínas) deben estar en un medio acuoso. El reto ha sido presentarlas de un modo adecuado para que puedan ser interceptadas por los pulsos de rayos X de apenas unas micras de diámetro y duración inferior a 10 femtosegundos (la centésima parte de la billonésima parte de un segundo), y generar un patrón de difracción lo más nítido y coherente posible.

El profesor de Mecánica de Fluidos de la US Alfonso Gañán Calvo.

Para este propósito, la tecnología GDVN ha sido capaz de generar chorros líquidos de diámetros inferiores a 2.5 micras (1 micra = milésima parte de un milímetro) con velocidades que alcanzan los 100 metros por segundo (360 km/h), suficientes para vehiculizar microcristales de proteínas y renovarlos continuamente en el punto de impacto sin que se vean afectados por los pulsos previos.

Esto se ha logrado gracias al uso de helio como gas enfocante del microchorro, que por sus propiedades físicas adquiere velocidades de expansión casi tres veces mayores que el aire. Además, se ha empleado un método de nano-fabricación extraordinariamente preciso (nano-impresión 3D) para el dispositivo que eyecta el chorro.

La combinación de la tecnología XFEL (trenes de pulsos ultra-cortos y ultra-potentes de rayos X) con el vehículo Flow Focusing (GDVN) ha dado lugar finalmente a lo que actualmente se conoce como ‘Serial Femtosecond Crystallography’ (SFX), una revolución en biología molecular.

La tecnología GDVN ha sido adoptada como el método más eficaz, robusto y reproducible (estándar) de introducción de muestras para Serial Femtosecond Crystallography (SFX) y time-resolved SFX en el European XFEL (Hamburgo, Alemania), SACLA (Japón), LCLS (Stanford, USA), SwissFEL (Zürich, Suiza), y los XFEL chinos y coreanos de nueva construcción, entre otros.

El European XFEL ha sido pionero en este aspecto, seguido de cerca por el LINAC LCLS III, aún no operativo. Con esta frecuencia se maximiza el llamado “índice de impacto”, que mide el porcentaje de muestras que son eficazmente interceptadas por el rayo. La revista científica Nature Communications ha recogido un artículo que ha presentado sus principales avances.

Referencias:

Megahertz data collection from protein microcrystals at an X-ray free-electron laser; Nature Communications, volume 9, Article number: 3487 (2018).