Reconozco que me ha constado dios y ayuda dar con la regla adecuada, así que por eso me he decidido a postearla.

El problema es el siguiente: en unvlog.com (sí, ese proyecto del que no he hablado) somos muy Rails y tenemos para todos los recursos que tiene sentido una ruta que responde a un formato u otro según se le solicite pero con esta forma:

En concreto, esta URL corresponde al feed de un blog, feed que está cacheado en disco gracias a la caché de página de Rails. Pues bien, la idea es que el servidor web sirva directamente esta caché, así que una regla podría ser:

   if (-f /cache/$request_filename) {
           rewrite (.*) /cache/$1 break;
   }

(Esto, asumiendo que tenemos la caché en public/cache)

El problema es que esta regla no funciona, y creo que se debe a que blat.atom lleva un '.' y no es capaz de asignar la URL a la variable $request_filename.

Al final ha sido tan fácil como utilizar otra variable que he encontrado en la parte rusa del wiki, $request_uri:

   if (-f $document_root/cache/$request_uri) {
           rewrite ^/(.*).atom$ /cache/$1.atom break;
   }

Con esto ha funcionado perfectamente y ya tenemos cacheados y servidos por Nginx los feeds en unvlog.com.