1.简介
同步加速器的数据收集通常已成为蛋白质结构确定管道中的常规步骤(Helliwell,2017); Dauter&Wlodawer,2016年; 欧文等。, 2016; 格里姆斯等。, 2018)这从蛋白质结晶开始,导致其结构和实验结构因子沉积在蛋白质数据库(PDB)中。在欧洲,英国的钻石光源(DLS)和法国的欧洲同步辐射设施(ESRF)开发了强大的数据处理管道,通过该管道可以自动处理收集的数据(摩纳哥等。, 2013; 马特里克等。, 2015)。下游处理管道也可用于自动确定配体的结构和结合方式(托马斯等。, 2019; Förster&Schulze-Briese,2019年),如果序列、模型结构和配体等相关元数据可用。通常位于大学校园、研究机构或(生物技术)产业的家庭实验室,在物理上远离同步加速器站点的站点上,高效地使用这项令人印象深刻的技术非常重要。这不仅需要研究人员准备晶体,也需要项目团队的每个成员都能轻松访问结晶数据、衍射信息以及与晶体处理相关的任何其他相关信息。
结晶是结构确定管道的关键第一步(Lynch等。, 2020; Abrahams&Newman,2019年; 罗莎等。, 2020; 梅奥等。, 2005)。图1所示的工作流程示意图可视化了结构生物学研究小组使用从他们家实验室中生长的晶体中收集的同步加速器数据集来解决和完善其结构的常见情况。通常,在结晶活动中使用各种结晶筛,以最大限度地提高获得晶体的机会。这需要监测数千个结晶液滴。通常,成像系统的商用软件用于此目的。在大型结晶设施中,为此开发了更全面的实验室信息管理系统(LIMS),例如xtalPiMS公司(丹尼尔等。, 2011)和CRIMS公司(杜珀等。, 2011)。此外,为了满足结晶家庭实验室的需求,欧鲁大学和DLS开发了软件,称为冰熊(集成晶体数据跟踪加强生物化学教育和研究;https://www.youtube.com/watch?v=ZuJhQNUzn5E)。一旦获得了合适的晶体,就需要采集这些晶体,用于配体结合研究,冷冻并用杜瓦瓶运送到同步加速器。将杜瓦瓶运送到同步加速器的技术程序已经制定好;然而,没有强大的数据管理工具可用于记录和保存结晶和晶体处理协议的元数据,并将这些元数据连接到衍射信息。在一个会话期间,通常在同步加速器中处理大量样本,这使得数据处理和存档非常具有挑战性。为了满足这些需求,芬兰奥鲁大学和以色列魏茨曼科学研究所的蛋白质晶体学团体与DLS联合起来,并扩展了冰熊通过几个模块,可以将元数据直接上传到ISPyB(图1)。更一般地说,这有助于从结晶到PDB沉积的数据跟踪。该软件的开发得益于以前的工作和经验xtalPiMS公司软件(Daniel等。, 2011),以及来自eHTPX公司(贝里等。,2006年; 艾伦等。, 2003)和CRIMS公司(德玛丽亚·安托利诺斯等。, 2015)分别在DLS和ESRF与ISPyB交换元数据的举措。
| 图1 结构确定管道元数据从结晶到发布和沉积的流程。冰熊为所选晶体分配唯一的样品名称,并且ISPyB衍射信息与相应的样品名称相关联。使用冰熊发货模块,如文中所述。该方案可视化了在运行ISPyB的同步加速器上收集数据时,ISPyB衍射元数据在结构确定管道中的集成。还可以将使用其他X射线设备(例如家用源)进行晶体测试和数据采集的选定晶体的衍射元数据上传到数据库中。实心箭头:手动传输元数据。双箭头:元数据自动传输。双灰箭头:超网链接自动传输。点箭头:冰熊可以使用结构的PDB代码搜索数据库。 |
ISPyB数据库(Fisher等。, 2015; 德拉吉尼埃等。, 2011; 德玛丽亚·安托利诺斯等。, 2015)是指导束线衍射实验和处理同步加速器收集的衍射信息的基本工具。欧洲所有的同步加速器都在使用它(Oscarsson等。, 2019)。一旦获得了蛋白质晶体,就需要采集这些晶体,将其安装在针上,进行低温冷却,可能还需要使用家用X射线发生器进行测试,并将其储存在杜瓦瓶中,然后将杜瓦瓶运至同步加速器进行高分辨率X射线数据采集。同时,每个晶体的元数据必须上传到ISPyB数据库。ISPyB中收集的信息对用户来说仍然是无限期可用的,因此对于使用同步加速器进行数据收集的结构生物学项目来说,这是一个非常宝贵的信息资源。在大学不可分割的家庭实验室中,晶体通常是由尚未受过蛋白质晶体学训练的学生生成的。为了确保结晶的重要元数据得到良好记录,并确保数据收集和数据处理的成功进行,监督员和学生之间的互动至关重要。如今,一个特定项目所需的数十或数百颗晶体都会定期运往欧洲同步加速器,因此,一个用户友好的IT工具对于帮助新手和经验丰富的用户进行数据跟踪变得至关重要。这种IT工具应指导研究人员提供结晶实验的所有重要信息,并应使项目成员能够轻松获得这些信息,以及ISPyB数据库中收集的衍射信息。现在,由于DLS和ESRF提供数据收集服务,而没有提供晶体的研究人员的参与,这一点更加重要(Bowler等。, 2015;https://www.diamond.ac.uk/Instruments/Mx/I03/I03-Manual/Unattended-Data-Collections.html)。这种无人值守的数据收集模式导致衍射信息在ISPyB中变得可用,而无需研究人员干预。结晶和衍射信息之间的完美连接对于处理可用数据量至关重要(Rao,2020)。这个冰熊开发软件包时考虑到了这一点。冰熊允许收集所有相关项目信息(包括序列;图2)以及结晶实验的所有重要信息。随后,研究人员可以选择并标记用于同步加速器数据采集的晶体。所选晶体会自动指定一个唯一的样品名称(图1),在进行结构确定管道的各个步骤时,它用于收集该晶体的所有相关信息,包括同步加速器的晶体处理和数据收集。因此,上传到ISPyB所需的元数据在冰熊数据库,并在中实现了元数据交换协议冰熊这样,当一个或多个装满低温冷却晶体的杜瓦瓶准备好发送到同步加速器时,元数据可以自动传输到ISPyB。该协议的一个重要功能是,每个实际装运的样本的ISPyB信息链接都可以在专用冰熊水晶页面(图2)对于此示例。因此,一旦晶体被用于数据收集,并且数据处理管道的结果在ISPyB中可用,研究人员就可以通过晶体页面上的链接轻松访问这些信息。
| 图2 内部关键模块之间的元数据流冰熊和之间冰熊和ISPyB。ISPyB中的衍射信息可以通过水晶页面上的链接访问。模块名称下面列出的项目涉及各个模块页面上的可用信息。通过模块之间的可点击链接以及能够在冰熊图版、图钉、圆盘、杜瓦瓶、样品名称和PDB代码的数据库,如文中所述。 |
2.结果
2.1. 设计理念
冰熊是通过用户的web浏览器访问的基于web的应用程序。它是用PHP脚本语言编写的,运行在Apache web服务器上,后台运行MySQL或MariaDB数据库。所有这些组件都运行在低成本的Linux计算机上,最新的Ubuntu Server LTS版本是Linux发行版的首选。
冰熊旨在赋予研究人员权力,而不是妨碍他们。其目的是鼓励研究人员以用户友好的方式尽快提供所有信息,但在必要时不要坚持。压倒一切的理念是提供一个干净且最小的界面,只关注手头的任务。界面可以根据用户的偏好和工作习惯进行配置,包括主页的布局和内容(图3).
| 图3 这个冰熊主页。“最新板材检查”模块提供了项目业主应分配给项目的最新进口板材检查的信息。“任务”块提醒项目所有者需要注意的任务。“Imager overview”(成像仪概览)砖可可视化成像系统上的负载。右上:搜索框可用于在搜索平板条码、针条码、冰球条码、杜瓦条码、样品名称或PDB代码时查找相关页面。滚轮按钮允许选择此页面的首选配置。问号按钮提供此页面的帮助。操作按钮指向可启动各种操作的页面(见正文)。 |
除其他方式外,鼓励用户通过突出显示需要注意的动作和在研究人员主页上显示个性化任务列表来执行所需的动作。这种方法超越了冰熊例如,当需要从成像仪中取出结晶板时,将项目添加到用户的任务列表中。
沿着结构确定管道前进时,可以使用灵活的工具记录信息。例如,用户可以添加注释和/或上载包含信息的文件。一旦系统选择了一个晶体并为其指定了样品名称,这一点尤其重要。将文件或注释(例如与电子实验室笔记本的链接)作为与板材相关的元数据,也是保存上游信息(例如样品质量)的好方法。具有写访问权限的项目成员可以添加注释和文件,例如在晶体冷冻期间、数据收集期间或以后。此类注释和文件有助于向其他项目成员通报项目进度。注释还允许将样本链接到其他电子实验室笔记本。
2.2. 安装和更新
冰熊设计为由具有root权限的相当熟练的计算机用户安装冰熊已安装。安冰熊安装程序已经开发完成。初始安装脚本配置服务器,安装任何必要的包和PHP扩展,以及配置基本防火墙。然后在web浏览器中继续安装,其中提供了管理员用户名和密码,以及任何现场成像硬件的连接详细信息。还执行从成像系统批量导入用户的初始操作。
冰熊任何具有管理权限的用户都可以更新到更高版本。这是通过web应用程序本身内的专用用户界面执行的;大多数情况下不需要输入或命令行交互。
标准安装冰熊可以导入Formulatrix(带Rock Maker用户界面)和Rigaku(带CrystalTrak用户界面)成像设备生成的结晶液滴图像。当使用Formulatrix/Rock Maker设置时,其他结晶元数据由项目所有者使用用户友好的GUI提供,如下所述。对于Rigaku/CrystalTrak设置,其他元数据的导入可以以相同的方式执行,根据当地情况进行小的调整。如冰熊网站(https://icebear.fi/),并根据麻省理工学院许可证分发。这个冰熊该网站提供了大量的文档,并有一个到演示服务器的链接,允许使用中实现的功能和协议进行实践冰熊.冰熊安装在芬兰奥鲁大学、赫尔辛基大学、图尔库大学和奥博·阿卡德米大学以及以色列魏茨曼科学研究所的蛋白质晶体学研究中心。
2.3. 家庭实验室的管理
平稳运行冰熊安装要求当地蛋白质结晶学社区的一名成员充当专家管理者。任务包括处理软件更新以及监视实时系统及其备份使用的磁盘空间。理想情况下,该任务应分配给非常熟悉结晶设施日常操作所涉及协议的人员。训练新人很重要冰熊并指出有关用户权限和操作模式的基本原则。需要为新用户分配用户名和适当的权限。存在多个用户类别。一个特殊类别的用户(发货人)可以协调向ISPyB上传与一个或多个杜瓦瓶到同步加速器的物理装运相对应的元数据。发货人需要访问数据收集会话的ISPyB“提案”。一个关键的用户类别是项目所有者,他可以向项目添加新的蛋白质和序列,也可以向项目组添加具有用户权限的研究人员。第三类用户(具有写权限的项目成员)可以上传笔记和文件,也可以选择水晶。用户的基本类别(项目来宾,具有读取权限)可以查看项目的所有信息,但无法更改。用户管理非常灵活,用户权限可以轻松添加、删除或转移。提供了在线用户手册,并集成了上下文相关的帮助功能。
2.5. 设置项目
这个冰熊数据库是围绕项目构建的,涉及给定蛋白质或蛋白质组的所有工作。设置项目时,需要名称和简短描述(图4一)。创建项目后,必须在其中创建至少一个蛋白质。创建蛋白质时,项目所有者决定在同步加速器收集数据时用于安全表的缩写词(在ESRF称为a表,在DLS称为ERA表)。软件在生成选定晶体的样本名称时也会使用首字母缩写词,稍后将进行讨论。在一个项目中,可以为不同的蛋白质指定几个缩写词。区分大小写的首字母缩写词应尽可能短(建议最多五个字符),并且不应包含特殊字符。不同的项目可以使用相同的首字母缩写词。
每个蛋白质可以有几个序列集,称为结构(例如野生型序列和点突变序列)。如果所研究的蛋白质是不同序列的多条链的集合,则每个构造都可以有多个序列。在大多数情况下,会有一个序列,但在异二聚体(或通常的异低聚物)的结晶实验中,一组中可能有多个序列。在一个项目中可能有多个序列集,例如,在同一项目中研究突变变体(例如点突变变体)时。在不同的项目中(例如,不同的域)也可能有变异的变体,但仍然使用相同的首字母缩写词。一般来说,良好的做法是蛋白质的蛋白质序列包括已使用的标签,这也是在PDB中沉积结构时所需的(https://www.wwpdb.org/documentation/policy网站)。该序列信息可以作为核苷酸序列(然后将其转换为氨基酸序列)或氨基酸序列提供。设置项目包括为已经拥有冰熊账户,这样就可以组建小型项目小组来监控项目的进度。具有写权限的项目成员可以上传笔记和文件,并可以选择晶体进行数据收集。项目所有者、项目成员和项目来宾可以共同监控项目的可用信息。项目页面还提供了已选择的所有晶体的列表(图4c(c)).
2.8. 使用晶体成膜模块时的晶体冷冻工作台冰熊
在晶体选择页面上,可以在实际晶体观察之前识别带有合适晶体的液滴。为了采集和冷冻选定的晶体,晶体安装工作台区域需要配备一台显微镜,用于观察晶体,并为预选的针和圆盘提供足够的空间,以及一台带有条形码阅读器的计算机,用于读取杜瓦、圆盘、针和板的条形码。建议使用高质量的条形码阅读器,以确保可靠地读取小针脚条形码。水晶捕鱼GUI经过优化,可以与触摸屏一起使用,但也可以与鼠标一起使用。为了运行,计算机应该可以访问互联网冰熊并连接到同步加速器ISPyB网站。晶体安装台上还应提供用于晶体冷冻冷却和存储圆盘的液氮。强烈建议使用条形码管脚,但协议也适用于没有条形码的管脚(在这种情况下,管脚在冰球中的位置是唯一的数据跟踪手段)。
2.9. 晶体成膜模块
晶面图形用户界面(图8)旨在与晶体的冷冻冷却同时使用。此GUI将低温冷却晶体与针条形码和冰球内的编号位置相关联。还支持使用非条形码管脚,在这种情况下,数据跟踪完全依赖于管脚在冰球中的位置。晶体填充图形用户界面的目的是在冷冻晶体时,将与图形用户界面所需的交互减少到绝对最小,其中大的可拖动元素已针对触摸屏进行了优化。这样,水晶钓鱼和更新冰熊数据库可以同时执行。GUI用作虚拟工作台。盘子和容器,如别针、圆盘和杜瓦瓶,通过扫描它们的条形码添加到虚拟工作台中。然后,只需拖放就可以将水晶移到别针上;默认情况下,该管脚会自动添加到第一个冰球的第一个空位置,但在此阶段或稍后阶段,可以将管脚移动到冰球中的另一个位置。从水滴中捕到的第一个晶体的样品名称称为晶体1(c1),随后捕到的晶体称为c2等。对于非条形码的管脚,将水晶直接拖动到冰球将创建一个虚拟管脚。如果条形码别针已经包含水晶,冰熊知道这一点,条形码上会出现一个“水晶”符号(图8)。钓鱼后可以立即添加注释,普通注释可以使用单触按钮,但完成钓鱼操作不需要这样做。对于重复性治疗行动,可使用最新注释进行重复使用。用户可以在此页面的配置选项中选择此协议的特定于用户的功能。
| 图8 晶体填充模块。用预先选择的水晶从盘子里钓鱼。首先用条形码阅读器扫描别针、冰球和杜瓦瓶的条形码。扫描完平板条形码后,带有选定晶体的液滴将被高亮显示。通过鼠标移动或触摸屏移动,将水晶从选定的位置移到不同的位置,以告知数据库与打捞水晶相关的针的条形码。用红色高亮显示的管脚已经与一个晶体相关联。 |
水晶图形用户界面的设计非常简单,可以将预先选择的水晶连接到条形码针、圆盘和杜瓦瓶上,而这些水晶是从之前拍摄过的、预先选择了水晶的96块平板上捕获的。然而,如果家庭实验室没有结晶滴成像系统或之前没有对平板成像,也可以使用GUI。在这种情况下,水晶图形用户界面会创建一个虚拟图像和一个唯一的样本名称。如果晶体在广泛的晶体处理协议用于配体结合研究后进行了低温保护,也可以使用GUI(Hassell等。2007年)。例如,将晶体在不同pH、不同沉淀剂或不同浓度的不同配体的液滴中孵育不同的时间跨度,因此在不同的时间点进行冷冻保护。关于这些晶体处理步骤的信息可以记录在注释中,同样的晶体图形用户界面也可以以同样的方式用于通知数据库,在货物元数据上传到ISPyB之前,在方便的时候,哪个样品已经被冷冻,在哪个针上,在哪个冰球中,在哪个杜瓦瓶中。
的数据跟踪选项冰熊当使用自动结晶滴成像设备时,它们得到了最佳利用,但它们的使用并不是严格必要的。在任何情况下,用户也可以手动在他们的盘子上拍摄水滴图像,或者上传显微镜图像(如果可用),或者在不添加任何水滴图像的情况下工作冰熊.
2.10. 发货模块和发货人
这个冰熊装运接口(补充图S3)用于组装货物并将其提交给同步加速器。装满样品的杜瓦瓶可以直接从结晶界面上取下,但可以在装运前添加或移除之前准备好的杜瓦罐、冰球和销,例如,如果在最后一分钟从仓库中取出销或冰球,分别填充冰球或杜瓦瓶中的空槽。通常,运送到同步加速器的杜瓦将包含来自多个研究小组的晶体,这些研究小组都有属于同一提案的晶体,并且参与了相同的数据收集会议。为了确保元数据的上传顺利进行,这由冰熊托运人也在同步加速器注册。实际上冰熊发货人组织发货,并在杜瓦瓶返回时协调活动(图9).
| 图9 装运模块的杜瓦瓶返回页面。当杜瓦瓶返回实验室时,此页面便于回收针、圆盘和杜瓦瓶。洗过的别针可以用来为下一批货挑选新的水晶。研究人员将突出显示为“保存水晶”的别针放在储存杜瓦中,然后可用于下一次同步加速器跳闸。 |
在同步加速器的支持下,冰熊可以直接向同步加速器的IT系统提交装运元数据。目前,使用SynchWeb/ISPyB应用程序编程接口(API;Fisher等。, 2015)。在这种情况下,装运的元数据由冰熊托运人,他是同步加速器提案和同步加速器数据收集会议的一部分。发货人使用同步加速器进行身份验证,然后从他/她有权使用的提议和会话中选择,然后再提交发货的元数据。除了同步加速器用户名和密码外,不需要键入其他内容。所有容器和样品的详细信息都会自动传输到同步加速器,无需在同步加速器站点手动输入数据。冰熊对自己的装运数据执行上传前验证,确保没有提交空容器(别针、圆盘或杜瓦瓶)。至关重要的是,如果任何晶体的“蛋白质首字母缩写”安全标识符在本次装运的批准首字母缩写列表中缺失,或者如果任何晶体没有指定蛋白质首字母缩略词,则不会提交装运。元数据上传到DLS完成后,在发送杜瓦瓶之前,使用SynchWeb/ISPyB工具通过快递服务跟踪杜瓦瓶发货。
PDF格式的装运清单(补充图S4)提交装运时生成。如果需要,该格式允许在数据采集期间在打印版本上进行徒手笔记。对于不支持自动上传元数据的同步加速器,也会生成这样的发货清单。此清单包含指向这两者的可点击链接和可扫描QR码冰熊和ISPyB。这个冰熊链接指向水晶页面,ISPyB链接指向提供该水晶上的ISPyB信息的页面。
2.11. 在数据收集过程中做笔记
货物标记后冰熊发送后,装运GUI中会提供一个新的数据收集选项卡。在这里,货物中的每个冰球都显示为一个可单击的按钮。单击冰球打开一组选项卡(补充图S5),每个销位置一个。在数据采集期间,可以标记在此位置从晶体中采集的数据。也可以为每个样本名称添加注释。一些标准注释模板文本可用作单击按钮。用户还可以在此处指定晶体在返回家庭实验室时应保存还是清洗/丢弃。标记为用于数据采集的针和圆盘,其中所有针都标记为正在使用,以绿色显示,并带有复选标记。
2.12. 杜瓦瓶返回实验室时回收别针、圆盘和杜瓦瓶
当杜瓦瓶返回家庭实验室时,发货人可以进行标记冰熊杜瓦瓶已经返回。装运GUI的数据收集选项卡(补充图S5)然后替换为“发货退回”选项卡(图9)。然后发货人可以打开杜瓦瓶。“发货退回”选项卡显示每个杜瓦瓶和冰球的内容,以及水晶所有者的指定操作,即。`货物中每个样品所示的“保存水晶”或“清洗别针”。这批样品中的研究人员会清洗他们的别针,或将别针和水晶存放起来以备日后使用。打开/清洗容器(杜瓦瓶/圆盘/别针)冰熊使其可用于后续装运。
3.讨论
3.1. DLS的快速访问波束时间数据收集会话
描述的协议已经在DLS的几个数据收集会话中进行了测试和优化(图10b条)。要优化使用开发的系统,需要专家用户进行一些额外的工作。例如,必须提供每个项目的详细信息(序列信息、缩写词),还应定期提供每个平板的相关信息(平板类型、使用的屏幕、滴液条件、蛋白质缓冲液)。关于低温冷却,只需要高度相关的信息,而不必立即提供这些信息,这对专家用户和新手用户都非常有用。一般来说,非常重要的是能够方便地获取有关结晶和晶体处理的所有重要实验信息,以便日后使用,也便于其他人能够重现实验。在项目成员之间轻松共享信息也是有益的。另一个实际优势是杜瓦瓶管理。在冰熊已实施协议,一旦杜瓦瓶返回家庭实验室,即可回收杜瓦瓶内容物,从而更容易跟踪实验室中使用的针、圆盘和杜瓦瓶。通过水晶页面显示提案ID和会话ID(图10b条)用于从特定样本收集数据。最重要的是,在优化结构时检查数据收集详细信息(在ISPyB中可用)现在变得透明了。这允许用户返回并检查是否存在冰环、是否存在空间群模糊性或辐射损伤、各向异性、分辨率或自动化数据处理管道记录的任何其他问题,以确保对数据收集信息进行更详细的检查。
3.2. 导航选项
提供了广泛的导航选项以查找相关信息。搜索框可用于使用其条形码搜索板、针、圆盘和杜瓦瓶,并且在项目的结晶和数据收集阶段经常使用。关键标识符是样品名称:使用样品名称可以找到特定晶体的所有信息,该名称也可以用作搜索框中的搜索项。从水晶页面可以链接到相关的ISPyB页面,也可以链接到下拉查看器,在这里可以找到结晶条件。反之亦然,可以从drop viewer的晶体选择页面访问晶体页面,其中包含样本是否已发送到同步加速器的信息;如果是这样,并且已经收集了衍射信息,那么也可以从该页面获得ISPyB衍射信息的链接。在同步加速器收集数据后,还可以使用装运清单中提供的特定晶体链接访问晶体页面(补充图S4).
在项目的后期阶段,良好的导航选项也很重要,例如在优化结构和编写手稿时。在结晶和数据收集完成后的几年内,进行这种写作并不罕见。对于项目此阶段的数据跟踪,重要的是找到相关的水晶页面,可以使用搜索框找到,并指定样本名称(也可以在ISPyB页面上找到)或PDB代码。如果样本名称已由用户选择的字符集(例如配体名称)扩展,则可以通过搜索框仅指定相关配体名称来查找该配体的相关晶体页面。在水晶页面中,还可以使用所用构造的信息找到项目页面。
3.3. 数据跟踪
相关的冰熊使用PDB代码可以找到水晶页面。这使得很容易在ISPyB中找到衍射信息以及与PDB代码相关的结晶和晶体处理信息。在水晶页面上,可以上传各个样本的注释和文件。如果研究人员将用于数据处理的原始数据存档在开放存取存档系统中,则可以使用相关水晶页面上可用的注释和文件选项记录DOI和其他相关信息。同样,相关出版物的链接可以存储在数据库中,并可供项目成员使用。“注释和文件”选项还可用于记录中间结果,例如,当项目成员在结构尚未存放时离开项目时。
3.4. 教育工具
冰熊围绕项目组织。在大学环境中,项目通常由学生、直接主管、高级主管和其他小组成员以及校内和校外合作者组成。冰熊提供信息技术工具,以促进专家讨论项目进展,包括(i)结晶实验,以及重要的(ii)采集晶体的衍射特性,包括衍射数据质量,这可以从数据处理管道的日志文件中推断出来。这些工具可以优化利用家庭实验室和同步加速器的可用人力和硬件资源。