Flüssigkeitsstrahlen sind eine etablierte Methode zur Probenzufuhr bei Experimenten mit serieller Femtosekunden-Kristallographie (SFX), die es ermöglichen, biologische Strukturen zu bestimmen. Ein entscheidender Faktor für die Stabilität des Strahls und damit für die Effizienz der Datenerfassung ist die Konstruktion der Mikrodüse, die die Flüssigkeit in die Probenkammer spritzt. In einer neuen Studie, die in Scientific Reports veröffentlicht wurde, zeigt ein internationales Team aus Mitarbeitenden, Kooperationspartner:innen und Nutzenden des European XFEL, wie ein solcher Strahl extrem in die Länge gezogen und gleichzeitig stabilisiert werden kann, was die Injektion von Flüssigkeiten mit einer höheren Viskosität ermöglicht, als dies bisher möglich war.

Typischerweise werden Flüssigkeitsstrahlen durch gasdynamische virtuelle Düsen erzeugt, die am European XFEL kontinuierlich verbessert und hergestellt werden, bevor sie für Nutzer:innen-Experimente an der Experimentierstation SPB/SFX bereitgestellt werden. Diese Düsen nutzen einen äußeren Heliumstrom, um die Flüssigkeit, die die zu untersuchenden Mikrokristallproben enthält, in einen Strahl mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern zu komprimieren und zu beschleunigen. Doppelstrom-Fokussierdüsen verwenden zusätzlich eine umhüllende Flüssigkeit zwischen dem Kristallstrom und dem Helium. Die Wissenschaftler:innen fügten dieser Hüllflüssigkeit nun eine geringe Konzentration an Polyethylenoxid (PEO), einem biokompatiblen Polymer, hinzu. Dadurch entstand ein viskoelastischer Strahl: Das PEO bewirkt, dass sich die Hüllflüssigkeit teilweise wie eine viskose Flüssigkeit verhält, da die gestreckten Polymerketten eine stabilisierende „Panzerung” um den Probenstrom bilden und einen langen, gleichmäßigen Strahl erzeugen.

Der entscheidende Aspekt der Stabilisierung ist, dass „die intensive konvergierende Dehnungsströmung am Austrittspunkt einen Übergang von der Wicklung zur gestreckten Form der Polymere innerhalb der Mikrodüse auslöst und dadurch eine große viskoelastische Spannung aufbaut. Diese Spannung baut sich im Strahl auch bei Zeiträumen, die weit über die Relaxationszeit des Polymers hinausgehen, nicht ab. Die erhöhte Dehnungsviskosität verleiht dem Strahl eine außerordentliche Stabilität“, sagt Mitautor José María Montanero, Professor für Fluidmechanik an der Universidad de Extremadura.

Aufgrund ihrer Millimeterlänge kommen solche Kern-Schale-Strahlen sogar für Pump–Probe-SFX in Frage, um eine Zeitskala von einigen zehn Mikrosekunden zu erreichen. Dieser Bereich liegt zwischen den bisher bei XFELs (Zeitverzögerungen von Pikosekunden bis Mikrosekunden) und Synchrotronlichtquellen (Verzögerungen von einigen hundert Mikrosekunden bis Millisekunden) erreichbaren Werten und galt bislang als blinder Fleck.

„Wir haben die Röntgenpuls-Trefferquote von Kristallen für eine Vielzahl von Proben mit biologischer Bedeutung, Puffer-Zusammensetzungen, Strahlgrößen und verwendeten Durchflussraten ausgewertet. Was wir gefunden haben, ist eine unübertroffene Überlappung zwischen Probe und Röntgenstrahl, die das Potenzial hat, die Strategien zur Datenerfassung in der seriellen Femtosekunden-Röntgenkristallographie voranzubringen. Die Vorteile dieses Ansatzes könnten an anderen XFELs mit hoher Puls-Wiederholungsrate sowie an Synchrotronlichtquellen breite Anwendung finden“, sagt der Erstautor Mohammad Vakili, Beamline-Wissenschaftler am SPB/SFX.

Die Forscherinnen und Forscher entwickelten zudem neuartige Dreifachstrom-Fokussierdüsen, die die beschriebenen Vorteile auf mikrofluidische Mischdüsen übertragen und damit den Weg für zeitaufgelöste Untersuchungen von Proben ebnen, die in viskosen Puffern verbleiben müssen. Petra Fromme, Professorin an der School of Molecular Sciences der Arizona State University, sagt: „Viskoelastische Strahlen stellen eine effiziente Methode dar, um Proben einzubringen, die sowohl in Flüssigkeiten mit niedriger als auch mit mittlerer Viskosität enthalten sind. Endlich haben wir eine Injektionsmethode gefunden, die sich möglicherweise für schwer injizierbare Flüssigkeiten eignet, wie beispielsweise Photosystem-II-Kristallmedien.“ Photosystem II ist ein Proteinkomplex, der eine Schlüsselrolle bei der Photosynthese spielt und im Fokus vieler Forschungsprojekte steht.

Die interdisziplinäre Arbeit, die Röntgenbeugungsmethoden, Fluiddynamik, Polymerwissenschaft und Strukturbiologie umfasst, erfolgte in enger Zusammenarbeit zwischen dem European XFEL, den Universitäten von Extremadura, Sevilla und Hamburg, der Arizona State University und dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg.

Original-Publikation: https://doi.org/10.1038/s41598-026-44308-8