用于生产甲基丙烯酸和甲基丙烯酸酯类的微生物以及与之相关的方法

用于生产甲基丙烯酸和甲基丙烯酸酯类的微生物以及与之相关的方法
【专利摘要】本发明提供了一种非天然存在的微生物，其具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径。该微生物包含编码甲基丙烯酸途径中的酶的至少一种外源性核酸。此外，本发明提供了一种用于生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的方法。该方法可以包括培养生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的微生物，其中该微生物在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯这么长的时间内，以足以生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的量表达编码甲基丙烯酸途径酶的至少一种外源性核酸。
【专利说明】用于生产甲基丙烯酸和甲基丙烯酸酯类的微生物以及与之
相关的方法
【背景技术】
[0001]本申请要求如下美国临时申请的优先权权益:2011年4月I日提交的美国临时申请序列号61/471,078 ;以及2011年6月22日提交的美国临时申请序列号61/571，232 ;以及2011年7月19日提交的美国临时申请序列号61/509，560;以及2011年7月20日提交的美国临时申请序列号61/510,054 ;以及2011年7月27日提交的美国临时申请序列号61/512，348，所述美国临时申请的全部内容以引用方式并入本文。
[0002]本发明一般地涉及生物合成过程，更具体地涉及具有甲基丙烯酸生物合成能力的生物。
[0003]甲基丙烯酸(MMA)甲酯是一种具有式CH2=C(CH3)CO2CH3的有机化合物。这种无色液体是甲基丙烯酸(MMA)的 甲基酯以及是用于生产透明塑料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的单体。
[0004]甲基丙烯酸甲酯的主要应用是聚甲基丙烯酸甲酯的丙烯酸类塑料的生产。此外，甲基丙烯酸甲酯被用来生产甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS)，该共聚物用作PVC改性剂。甲基丙烯酸甲酯的聚合物和共聚物被用于水性涂料，如乳胶漆。据发现，还可用于粘合剂配方中。当代的应用包括在板中的用途，该板保持光线均匀地分布在液晶显示器(LCD)电脑和电视屏幕上。甲基丙烯酸甲酯也用于制备解剖器官(如心脏冠状动脉)的腐蚀铸型。
[0005]甲基丙烯酸或2-甲基-2-丙烯酸是一种低分子量的羧酸，其少量天然存在于罗马春黄菊油中。它是一种具有刺鼻难闻气味的腐蚀性液体。它可溶于温水中以及可与多数有机溶剂混溶。经加热或用催化量的强酸(如HCl)处理后，甲基丙烯酸容易聚合。所得到的聚合物是一种陶瓷样的塑料。甲基丙烯酸在工业上被用于制备其酯类，统称为甲基丙烯酸酯，如甲基丙烯酸甲酯。甲基丙烯酸酯，尤其是在聚合物的制造中，具有多种用途。
[0006]大多数商业生产者应用丙酮氰醇(ACH)路径来生产甲基丙烯酸(MAA)，其中用丙酮和氰化氢作为原材料。中间体氰醇与硫酸转化成甲基丙烯酰胺的硫酸酯，所述硫酸酯水解提供硫酸氢铵和MAA。一些生产商以异丁烯或，等价地，叔丁醇开始，经氧化成为异丁烯醛，并再次氧化成为甲基丙烯酸。然后用甲醇将MAA酯化成为MMA。
[0007]利用丙酮氰醇路径的传统生产工艺涉及氰化氢(HCN)和丙酮到丙酮氰醇的转化，然后经过酸辅助的水解和用甲醇进行的酯化，得到MMA。处理潜在致命HCN的困难以及副产品(每吨MMA形成1.2吨硫酸氢铵)处理的高成本已经引发旨在更清洁以及更经济的工艺的大量研究。在过去的二十年中，一些新工艺已经商业化，以及更多的接近商业化。Asahi的“Direct Metha”路径涉及异丁烯氧化为异丁烯醛，然后将异丁烯醛与甲醇混合，用空气氧化并酯化为MMA，该路径已经被描述为一种经济型工艺。
[0008]除MMA聚合物之外，这个行业的其他主要产品是占MMA生产总量20%左右的粗制甲基丙烯酸。粗制MAA被加工成丁基甲基丙烯酸酯和/或“冰” MAA，这是高度纯化的粗制MAA0冰MAA可以在各种聚合物中直接用作共聚单体，还被用来制造各种小体积的甲基丙烯酸酯。另一方面，MAA也可以通过用甲醇酯化，被转化成MMA。
[0009]因此，需要有一种有效地生产诸如甲基丙烯酸的化合物的替代方法。本发明满足了这种需要，而且还提供了有关的优点。

【发明内容】

[0010]本发明提供了一种非天然存在的微生物，其具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类(如甲基丙烯酸甲酯)、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径。该微生物包含编码甲基丙烯酸途径中酶的至少一种外源性核酸。此外，本发明提供了一种用于生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类(如甲基丙烯酸甲酯)、3_羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的方法。该方法可以包括在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯这么长的时间内培养生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的微生物，其中该微生物以足以生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的量表达编码甲基丙烯酸途径酶的至少一种外源性核酸。
[0011]本发明还提供包含甲基丙烯酸酯类或甲基丙烯酸甲酯途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸酯类或甲基丙烯酸甲酯酶的以足以生产甲基丙烯酸酯类或甲基丙烯酸甲酯的量表达的至少一种外源性核酸，该微生物包含编码该甲基丙烯酸酯类或甲基丙烯酸甲酯途径中的酶的至少一种外源性核酸以及编码通过如下方式提高甲基丙烯酸酯类或甲基丙烯酸甲酯收率的酶的至少一种外源性核酸:(i)经由还原TCA循环增强碳固定；和/或(ii)使用来自气态碳源和/或合成气组分(如CO、CO2和/或4)的额外还原当量。在某些方面，该非天然存在的微生物包含(i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中该至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶、柠檬酸裂解酶、富马酸还原酶以及α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；(ii)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中该至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶、磷酸烯醇丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇丙酮酸羧激酶、CO脱氢酶以及H2氢化酶；或(iii)编码选自CO脱氢酶、H2氢化酶及其组合的酶的至少一种外源性核酸。此外，本发明提供通过在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸酯类或甲基丙烯酸甲酯这么长的时间内培养一种包含甲基丙烯酸酯类或甲基丙烯酸甲酯途径的非天然存在的微生物，将这类微生物用于生产甲基丙烯酸酯类或甲基丙烯酸甲酯的方法。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]图1示出了从丙酮酸和乙酰基-CoA，以及从乌头酸到甲基丙烯酸的示例性途径。酶是A.柠苹酸合酶；B.柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)；C.柠康酸脱羧酶；D.柠苹酰-CoA裂解酶；E.柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；F.柠苹酸脱水酶(中康酸形成)；G.柠康酸异构酶；H.中康酸脱羧酶；1.乌头酸脱羧酶J.衣康酸异构酶；K.柠苹酰-CoA脱水酶以及L.衣康酰-CqA转移酶、合成酶或水解酶。
[0013]图2示出了从甲基丙烯酸酯到甲基丙烯酸酯类的示例性途径。甲基丙烯酸酯可以形成自图1所描绘的途径或其他甲基丙烯酸酯途径，如W02009/135074和U.S.公开2009/0275096中所述的那些途径。异丁烯酰基-CoA可以经由异丁烯酰基-CoA转移酶或异丁烯酰基-Cok合成酶形成自甲基丙烯酸酯。甲基丙烯酸酯类可以形成自异丁烯酰基-Cok以及当醇转移酶存在时形成自醇。甲基丙烯酸酯类还可以直接形成自甲基丙烯酸酯以及通过甲基丙烯酸酯类形成酶或通过化学转化(例如，当存在脱水剂，如酸时加热)直接形成自醇。R指任何有机官能团，包括但不仅限于甲基、乙基、正丙基、正丁基、异丙基、仲丁基以及叔丁基、戊基或己基官能团。例如，如果R指甲基基团，则R-OH指甲醇以及该途径的产物是甲基丙烯酸甲酯。
[0014]图3示出了经由3-羟基异丁酸酯从琥珀酰-Cok到MMA的示例性新陈代谢途径。
[0015]图4示出了经由3-氨基-2-甲基丙酸从琥珀酰-Cok到MAA的示例性途径。“集中反应”(步骤2-3)通过I)甲基丙二酰基-Cok表异构酶以及2)甲基丙二酰基-Cok还原酶催化。
[0016]图5示出了经由3-羟基异丁酸酯或异丁烯酰基-CoA进行的从4-羟基丁酰基-CoA到MAA的示例性途径。步骤2可以通过三种替代性酶催化:3_羟基异丁酰基-CoA合成酶、
3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶。类似地，步骤5可以通过如下三种替代性酶催化:异丁烯 酰基-CoA合成酶、异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA转移酶。
[0017]图6示出了经由苏-3-甲基天冬氨酸从α -酮戊二酸到MAA的示例性途径。
[0018]图7示出了经由2-羟基戊二酸从α -酮戊二酸到MAA的示例性途径。
[0019]图8示出了乙酰基-CoA或4-羟基丁酰基-CoA转化为MAA或2_羟基异丁酸酯的示例性新陈代谢途径。
[0020]图9示出了从乙酰基-CoA到MAA的示例性途径。
[0021]图10示出了从丙酮酸到丙烯酰基-CoA到MAA的示例性途径。
[0022]图11示出了从2-酮戊酸到MAA的示例性途径。2_酮异戊酸可以生产自缬氨酸或丙酮酸。用于将丙酮酸转化为2-酮异戊酸的一组示例性酶由乙酰乳酸合酶、乙酰羟酸还原异构酶以及二羟酸脱水酶组成。
[0023]图12示出了用于将CO2固定在作为底物的碳水化合物上的逆向TCA循环。酶催转换通过所示的酶完成。
[0024]图13示出了用于将合成气转化为乙酰基-CoA，耦合有一氧化碳脱氢酶以及氢化酶的逆向TCA循环的途径。
[0025]图14示出了利用尺寸标准(泳道5)以及热醋穆尔氏菌C0DH(Moth_1202/1203)或Mtr (Moth_1197)蛋白质(50、150、250、350、450、500、750、900 以及 1000ng)的 10 μ g ACS90(泳道I)、ACS91 (泳道2)、Mta98/99 (泳道3和4)细胞提取物的Western印迹。
[0026]图15示出了 CO氧化测定结果。培育了细胞(具有C0DH/ACS操纵子的热醋穆尔氏菌或大肠杆菌；ACS90或ACS91或空载体:pZA33S)以及制备了提取物。在制备提取物当天的不同时间，在55°C执行测定。随后，在120秒时间过程后，在578nm处甲基紫精还原。
[0027]图16A示出了用于甲基丙烯酸和3-羟基异丁酸的生物合成的途径。显示的酶催转换通过如下酶完成:(1)氢化酶；(2)—氧化碳脱氢酶；(3)琥珀酰-CoA转移酶、琥珀酰-CoA合成酶；(4)甲基丙二酰基-Cok变位酶；(5)甲基丙二酰基-Cok表异构酶；(6)甲基丙二酰基-CoA还原酶；(7)甲基丙二酸半醛还原酶以及(8) 3-羟基异丁酸酯脱水酶。
[0028]图16B示出了经由4-羟基丁酰基-CoA中间体从葡萄糖生物合成甲基丙烯酸的途径。酶催转换通过如下酶完成:(1)氢化酶；(2)—氧化碳脱氢酶；(3)琥珀酰-CoA转移酶、琥珀酰-Cok合成酶；(4)琥珀酰-Cok还原酶(醛形成)；(5) 4-羟基丁酸脱氢酶；(6) 4-羟基丁酸激酶；(7)磷酸转-4-羟基丁酰基酶；(8)琥珀酸还原酶；(9)琥珀酰-Cok还原酶(醇形成);(10) 4-羟基丁酰基-CoA合成酶、4-羟基丁酰基-CoA转移酶；(11) 4-羟基丁酰基-CoA变位酶；(12)3-羟基异丁酰基-CoA合成酶、转移酶或水解酶；(13)3-羟基异丁酸酯脱水酶；(14) 3-羟基异丁酰基-CoA脱水酶；(15)异丁烯酰基-CoA合成酶、转移酶或水解酶。
[0029]图16C示出了通量分布，该通量分布显示当碳经由还原TCA循环时，葡萄糖上甲基丙烯酸的提高的最大理论收率。酶催转换通过如下酶完成=(I)ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶、乙酰基-CoA合成酶；或柠檬酸裂解酶、醋酸激酶、磷酸转乙酰基酶；(2)苹果酸脱氢酶；(3)富马酸酶；(4)富马酸还原酶；(5)琥珀酰-CoA合成酶或转移酶；(6) α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；(7)异柠檬酸脱氢酶；(8)乌头酸酶；(9)丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；丙酮酸氧化酶、乙酰基-Cok合成酶；或丙酮酸氧化酶、醋酸激酶、磷酸转乙酰基酶；(10)乙酰乙酰基-CoA硫解酶；(11)乙酰乙酰基-CoA还原酶；(12) 3-羟基丁酰基-Cok变位酶；(13)2-羟基丁酰基-Cok脱水酶；(14)异丁烯酰基-Cok合成酶、转移酶或水解酶；(15) 2-羟基异丁酰基-CoA合成酶、转移酶或水解酶。
[0030]图16D示出了通量分布，该通量分布显示当碳经由还原TCA循环时，葡萄糖上甲基丙烯酸的提高的最大理论收率。酶催转换通过如下酶完成=(I)ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶、乙酰基-CoA合成酶；或柠檬酸裂解酶、醋酸激酶、磷酸转乙酰基酶；(2)苹果酸脱氢酶；(3)富马酸酶；(4)富马酸还原酶；(5)琥珀酰-CoA合成酶或转移酶；(6) α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；(7)异柠檬酸脱氢酶；(8)乌头酸酶；(9)丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；丙酮酸氧化酶、醋酸激酶、磷酸转乙酰基酶；(10)柠苹酸合酶；(11)柠苹酸脱水酶以及(12)柠康酸脱羧酶。
[0031]图16Ε示出了用于从乙酰基-CoA以及丙酮酸生物合成甲基丙烯酸的途径。酶催转换通过所示的酶完成。酶为如下:(1)柠苹酸合酶；(2)柠苹酸脱水酶(柠康酸形成);(3)柠康酸脱羧酶；(4)柠苹酰-Cok裂解酶；(5)柠苹酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶；(6)柠苹酸脱水酶(中康酸形成);(7)柠康酸异构酶；(8)中康酸脱羧酶；(9)乌头酸脱羧酶；(10)衣康酸异构酶；(11)衣康酰-CoA转移酶或合成酶以及(12)衣康酰-CoA水合酶。
[0032]图17Α以及图17Β示出了示例性途径。酶催转换通过所示的酶完成。图17Α示出了利用该还原TCA循环将CO2固定到琥珀酰-CoA的途径。图17Β示出了从琥珀酰-CoA生物合成3-羟基异丁酸以及甲基丙烯酸的示例性途径；显示的酶催转换通过如下酶完成:Α.甲基丙二酰基-CoA变位酶；B.甲基丙二酰基-CoA表异构酶；C.甲基丙二酰基-CoA还原酶；D.甲基丙二酸半醛还原酶；E.3-羟基异丁酸酯脱水酶。
[0033]图18A以及图18B示出了示例性途径。酶催转换通过所示的酶完成。图18A示出了利用该还原TCA循环将CO2固定到琥珀酸的途径。图18B示出了从琥珀酸生物合成3-羟基异丁酸以及甲基丙烯酸的示例性途径；显示的酶催转换通过如下酶完成:A.3-羟基异丁酰基-Cok脱水酶；B.异丁烯酰基-Cok合成酶、转移酶或水解酶；C.琥珀酰-Cok转移酶或合成酶；D.琥珀酰-CoA还原酶(醛形成);E.4-羟基丁酸脱氢酶；F.4-羟基丁酸激酶；G.磷酸转-4-羟基丁酰基酶；H.琥珀酸还原酶；1.琥珀酰-CoA还原酶(醇形成)J.4-羟基丁酰基-CoA合成酶或转移酶；K.4-羟基丁酰基-CoA变位酶；L.3-羟基异丁酰基-CoA合成酶、转移酶或水解酶;M.3-羟基异丁酸酯脱水酶。
[0034]图19A以及图19B示出了示例性途径。图19A示出了利用该还原TCA循环将CO2固定到乙酰基-CoA以及丙酮酸的途径。图19B示出了从乙酰基-CoA以及丙酮酸生物合成甲基丙烯酸酯的示例性途径；显示的酶催转换通过如下酶完成:1.柠苹酸合酶；2.柠苹酸脱水酶(柠康酸形成);3.柠康酸脱羧酶；4.柠苹酰-CoA裂解酶；5.柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；6.柠苹酸脱水酶(中康酸形成);7.柠康酸异构酶；8.中康酸脱羧酶；9.乌头酸脱羧酶；10.衣康酸异构酶；11.衣康酰-CoA转移酶或合成酶；12.衣康酰-CoA水合酶。
[0035]图20A以及图20B示出了示例性途径。图20A示出了利用该还原TCA循环将CO2固定到乙酰基-Cok的途径。图20B示出了从乙酰基-Cok生物合成甲基丙烯酸和2-羟基异丁酸的示例性途径。
[0036]图21A以及图21B示出了示例性途径。图21A示出了利用该还原TCA循环将CO2固定到乙酰基-CoA的途径。图2IB示出了从乙酰基-CoA生物合成甲基丙烯酸和3-羟基异丁酸的示例性途径；显示的酶催转换通过如下酶完成:1)乙酰乙酰基-CoA硫解酶(AtoB) ；2)3_羟基丁酰基-CoA脱氢酶(Hbd) ；3)巴豆酸酶(Crt) ；4)巴豆酰基-CoA水合酶(4_Budh)；5)4-羟基丁酰基-Cok变位酶；6)3_羟基异丁酰基-Cok水解酶、合成酶或转移酶；7)3_羟基异丁酸脱水酶；8) 3-羟基异丁酰基-CoA脱水酶；9)异丁烯酰基-CoA水解酶、合成酶或转移酶。
[0037]图22A示出了来自艾瓦诺卡氏菌(GNM_720)的羧酸还原酶的核苷酸序列(SEQ IDNO:1)，以及图22B示出了经编码的氨基酸序列(SEQ ID NO: 2)。
[0038]图23A示出了经密码子优化的磷酸泛酰巯基乙胺转移酶的核苷酸序列(SEQ IDN0:3)，以及图23B示出了经编码的氨基酸序列(SEQ ID N0:4)。
[0039]图24A示出了来自包皮垢分支杆菌me (2) 155的羧酸还原酶(指定890)的核苷酸序列(SEQ ID N0:5)，以及图24B示出了经编码的氨基酸序列(SEQ ID N0:6)。
[0040]图25A示出了来自鸟型分枝杆菌亚种类结核K-1O的羧酸还原酶(指定891)的核苷酸序列(SEQ ID N0:7)，以及图25B示出了经编码的氨基酸序列(SEQ ID N0:8)。
[0041]图26A示出了来自海分枝杆菌M的羧酸还原酶(指定892)的核苷酸序列(SEQ IDNO:9)，以及图26B示出了经编码的氨基酸序列(SEQ ID NO: 10)。
[0042]图27A示出了羧酸还原酶(指定891GA)的核苷酸序列(SEQ ID NO: 11)，以及图27B示出了经编码的氨基酸序列(SEQ ID NO: 12)。
[0043]图28示出了经由3-羟基异丁酸酯和/或3-羟基异丁酰基-CoA通向甲基丙烯酸酯类的示例性途径。R-OH指任何有机醇。
[0044]图29示出了经由2-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酰基-CoA通向甲基丙烯酸酯类的示例性途径。R-OH指任何有机醇。
[0045]图30示出了通向示例性甲基丙烯酸酯类-甲基丙烯酸甲酯的示例性途径。
【具体实施方式】
[0046] 本发明旨在设计和生产具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生物合成生产能力的细胞和生物。如本文所披露，新陈代谢途径可以进行设计和重组工程以实现在大肠杆菌和其他细胞或者生物中甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的生物合成。甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、
3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生物合成生产通过构建具有设计的新陈代谢基因型的菌株来证实。这些经过新陈代谢工程的细胞或者生物还可以经受适应性进化，以进一步增强甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的生物合成，包括在接近理论最大增长量的条件下。
[0047]用于生产甲基丙烯酸(MAA)的微生物已有先前描述(参见，例如，W02009/135074以及U.S.公开2009/0275096，其通过引用方式并入本文)。本发明提供用于设计用于生产甲基丙烯酸(MAA)的微生物的附加途径。图1提供经由中间体柠苹酸从乙酰基-CoA以及丙酮酸到MAA的示例性途径。还显示从乌头酸到MAA的途径。在一个途径中，乙酰基-CoA以及丙酮酸首先通过柠苹酸合酶转化为柠苹酸。柠苹酸脱水可以出产柠康酸(步骤B)或中康酸(步骤C)。在步骤G中，中康酸以及柠康酸通过顺式/反式异构酶相互转化。中康酸(步骤H)或柠康酸(步骤C)脱羧出产MAA。在替代性途径中，柠苹酸在步骤D和E中经由柠苹酰-CoA中间体形成自乙酰基-CoA以及丙酮酸，通过柠苹酰-CoA裂解酶以及柠苹酰-CoA水解酶、转移酶或合成酶催化。
[0048]本发明还包含从乌头酸到MAA的途径。在一个途径中，乌头酸首先通过乌头酸脱羧酶脱羧为衣康酸(步骤I)。然后，衣康酸通过衣康酸△_异构酶(步骤J)异构化为柠康酸。柠康酸到MAA的转化直接通过脱羧或间接经由中康酸进行。在替代性途径中，衣康酸中间体首先通过CoA转移酶或合成酶转化为衣康酰-CoA (步骤L)。衣康酰-CoA经水合作用出产柠苹酰-CoA，其如前所述，然后可以转化为MAA。下文对示例性MAA途径的额外细节以及实施方式做了描述。
[0049]如本文所用，术语“非天然存在的”当关于本发明的微生物使用时，意指该微生物具有至少一种通常不会在相关物种的天然存在的菌株(包括相关物种的野生型菌株)中发现的基因改变(genetic alteration)。基因改变包括，例如，引入编码新陈代谢多肽的可表达的核酸的修饰(modification)、其他核酸新增、核酸缺失和/或微生物遗传物质的其他功能中断。这些修饰包括，例如，相关物种的异源多肽、同源多肽或异源和同源多肽的编码区和功能片段。其他修饰包括，例如，其中该修饰改变基因或操纵子的表达的非编码调控区域。示例性的新陈代谢多肽包括在甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或
2-羟基异丁酸酯生物合成途径内的酶或蛋白质。
[0050]新陈代谢修饰是指从其天然存在的状态发生改变的生化反应。因此，非天然存在的微生物可以具有对编码新陈代谢多肽的核酸或其功能片段的基因修饰。本文披露了示例性的新陈代谢修饰。
[0051]如本文所用，术语“分离”当关于微生物使用时，意指当相关微生物在自然界中被发现时，基本上不含至少一种组分的生物。该术语包括当在其自然环境中被发现时从部分或全部组分中脱离的微生物。该术语还包括当其在非天然存在的环境中被发现时从部分或全部组分中脱离的微生物。因此，当分离的微生物在自然界中被发现或者当其在非天然存在的环境中培育、储存或生存时，它部分或全部地从其他物质中分离。分离的微生物的具体例子包括部分纯的微生物、基本上纯的微生物和在非天然存在的培养基中培养的微生物。
[0052] 如本文所用，术语“微生物”意在指任何作为包含在古菌域、细菌域或真核域的显微细胞(microscopic cell)存在的生物。因此,该术语意包括原核或真核细胞或具有显微尺寸的生物并包括所有种类的细菌、古菌和真细菌以及真核微生物(如酵母和真菌)。该术语还包括任何种类的可被培养用于生产生物化学品的细胞培养物。
[0053]如本文所用，“甲基丙烯酸”具有化学式CH2=C(CH3)CO2 (见图1) (IUPAC名称为
2-甲基-2-丙烯酸)，其是甲基丙烯酸酯的酸形式，以及可理解的是，本文中，甲基丙烯酸和甲基丙烯酸酯可以互换使用，指任何中性或离子形式的化合物，包括其任何盐形式。技术人员可理解的是，具体形式将取决于pH。
[0054]如本文所用，“甲基丙烯酸酯类”指具有化学式CH2=C(CH3)COOR (见图28以及图29)的化合物，其中R是C1到C6支链或直链的低级烷基，包括但不仅限于甲基、乙基、正丙基、正丁基、异丙基、仲丁基以及叔丁基、戊基或己基，其任何一种可以是不饱和的，从而是，例如丙烯基、丁烯基、戊基以及己烯基。示例性甲基丙烯酸酯类包括但不仅限于甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯以及甲基丙烯酸正丙酯。如本文所用，甲基丙烯酸酯类还包括其他中链到长链(即C7-C22)的R基团，其中该甲基丙烯酸酯类衍生自脂肪族醇，如庚醇、辛醇、壬醇、癸醇、十一醇、月桂醇、十三醇、十四醇、十五醇、十六醇、棕榈醇、十七醇、十八醇、十九醇、花生醇、二十一醇和二十二醇，其任何一种可以可选地是支链和/或包含不饱和。
[0055]如本文所用，术语“CoA”或者“辅酶A”意在指有机辅因子或者辅基(酶的非蛋白质部分)，它的存在为许多酶(脱辅基酶)的活性所需以形成活性酶系统。辅酶A在某些缩合酶中起作用，在乙酰基或者其他酰基基团转移以及在脂肪酸合成和氧化、丙酮酸氧化以及在其他乙酰基化中起作用。
[0056]如本文所用，术语“基本上厌氧”当关于培养或培育条件使用时意指氧量少于液体培养基内溶解的氧的饱和量的约10%。该术语还意在包括在小于约1%的氧的气氛中保持的液体或固体培养基的密封室。
[0057]如本文所用，“外源”意指有关分子或有关活性被引入宿主微生物。分子可以例如,通过将编码核酸引入宿主遗传物质,如通过整合入宿主染色体或作为非染色体遗传物质(如质粒)被引入。因此，当关于编码核酸的表达使用时，该术语指将编码核酸以可表达的形式引入微生物。当关于生物合成活性使用时，该术语指被引入宿主有关生物的活性。来源可以是例如，表达引入宿主微生物后有关活性的同源或异源编码核酸。因此，术语“内源”指在宿主内存在的有关分子或活性。同样，当关于编码核酸的表达使用时，该术语指包含在微生物体内编码核酸的表达。术语“异源”指来自与有关物种不同的来源的分子或活性而“同源”指来自宿主微生物的分子或活性。因此，本发明的编码核酸的外源性表达可以利用异源编码核酸和同源编码核酸的其一或两者。
[0058]理解的是，当微生物内包含一种以上的外源性核酸时，所述一种以上的外源性核酸指相关的编码核酸或者生物合成活性，如上文所讨论。进一步理解的是，如本文所披露，这类一种以上的外源性核酸可以被引入在单独的核酸分子上、在多顺反子核酸分子上或者在其组合上的宿主微生物，并且仍然被看作是一种以上的外源性核酸。例如，如本文所披露，微生物可被设计以表达两种或者两种以上的编码所需的途径酶或者蛋白质的外源性核酸。在两种编码所需活性的外源性核酸被引入宿主微生物的情况下，理解的是，该两种外源性核酸可以作为单一核酸被引入例如，在单一质粒上、在单独的质粒上，可以被整合入位于单个位点或者多个位点的宿主染色体，以及仍然被看作是两种外源性核酸。同样，理解的是，两种以上的外源性核酸可以任何所需的组合形式被引入例如，在单一质粒上、在单独的质粒上的宿主生物，可以被整合入位于单一位点或者多个位点的宿主染色体，以及仍然被看作是两种或者两种以上的外源性核酸，例如三种外源性核酸。因此，相关的外源性核酸或者生物合成活性的数量指编码核酸的数量或者生物合成活性的数量，而非被引入宿主生物的单独的核酸的数量。
[0059]本发明的该非天然存在的微生物可以包含稳定的基因改变，这指可以培养超过五代而无改变损失的微生物。一般地，稳定的基因改变包括持续超过10代的修饰，具体地，稳定的修饰将持续超过约25代，以及更具体地，稳定的基因修饰将超过50代，包括永久地。
[0060]本领域的技术人员会理解所述基因改变(包括本文示例性的新陈代谢修饰)是关于合适的宿主生物(如大肠杆菌)及其相应的新陈代谢反应或所需的新陈代谢途径的所需的遗传物质(如基因)的合适的来源生物描述的。然而，如果有各种各样的生物的完整的基因组测序和基因组学领域的高水平技能，本领域的技术人员将能够很容易地将本文提供的教诲和指导应用于基本上所有的其他生物。例如，本文示例性的大肠杆菌新陈代谢改变可以通过纳入来自非相关物种的物种的相同或类似的编码核酸很容易地应用到其他物种。一般地，这类基因改变包括例如，物种同系物的基因改变，以及具体地，直系同源、旁系同源或非直系同源基因置换。
[0061]直系同源是通过垂直传递(vertical descent)相关且导致不同的生物内基本上相同或相似的功能的一种或多种基因。例如，小鼠环氧化物水解酶和人环氧化物水解酶因环氧化物水解的生物功能可以被认为是直系同源。例如，当基因共有足够量的序列相似性以表明它们是同源的或者通过进化自共同的祖先相关时，所述基因通过垂直传递相关。如果基因共有足够量的三维结构但不一定共有序列相似性以表明它们进化自共同的祖先达到基本序列相似性无法识别的程度，也认为它们是直系同源。直系同源的基因可以编码具有约25%到100%氨基酸序列一致性的序列相似性的蛋白质。如果编码共有的氨基酸相似性小于25%的蛋白质的基因其三维结构也显示出相似性，则所述基因也可以被认为通过垂直传递产生。酶类的丝氨酸蛋白酶家族的成员(包括组织型纤维蛋白溶酶原激活剂和弹性蛋白酶)被认为通过垂直传递产生自共同的祖先。
[0062]直系同源包括通过例如，进化在结构或整体活性方面趋异的基因或其编码基因产物。例如，当一种物种编码显示两种功能的基因产物以及当这类功能在第二个物种内已经分为不同的基因时，这三个基因及其相应的产物被认为是直系同源。对于生化产品的生产，本领域的技术人员会理解含待引入或破坏的新陈代谢活性的直系同源的基因将被选择用于所述非天然存在的微生物的构建。显示各自活性的直系同源的例子是当两个或两个以上物种之间或一个单一物种内部不同的活性已经分为不同的基因产物的情况。具体的例子是弹性蛋白酶蛋白质水解和纤维蛋白溶酶原蛋白质水解(两种类型的丝氨酸蛋白酶活性)分离为作为纤维蛋白溶酶原激活剂和弹性蛋白酶的不同分子。第二个例子是支原体5’-3’核酸外切酶和果蝇DNA聚合酶III活性的分离。来自第一物种的DNA聚合酶可以被认为是来自第二物种的核酸外切酶和聚合酶其一或两者的直系同源，反之亦然。
[0063] 相反，旁系同源是通过例如，复制然后进化趋异相关的同系物并具有相似或共同的，但不完全相同的功能。旁系同源可以源自例如，相同物种或源自不同的物种。例如，微粒体环氧化物水解酶(环氧化物水解酶I)和可溶性环氧化物水解酶(环氧化物水解酶II)可以被认为是旁系同源，因为它们代表两种不同的酶类，协同进化自共同的祖先，催化不同的反应并在相同的物种内具有不同的功能。旁系同源是来自彼此具有显著的序列相似性的相同物种的蛋白质，这表明它们是同源的或通过协同进化自共同的祖先而相关。旁系同源蛋白质家族的群体包括HipA同系物、荧光素酶基因、肽酶以及其他。
[0064]非直系同源基因置换是来自一个物种的非直系同源基因，可以替代一种不同的物种内有关基因功能。替代包括例如，能够在起源物种内执行与所述不同的物种内所述有关功能相比基本上相同或相似的功能。虽然一般地，非直系同源基因置换可看作是与编码有关功能的已知基因结构相关，不过结构相关性差但功能相似的基因及其相应的基因广物仍然会如本文所用，落入所述术语的含义之内。功能相似性要求例如，与编码试图被替代的功能的基因相比，在非直系同源基因产物的活性位点或结合区域具有至少一些结构相似性。因此，直系同源基因包括例如，旁系同源或不相关的基因。
[0065]因此，识别和构建本发明的具有甲基丙烯酸生物合成能力的非天然存在的微生物时，本领域的技术人员会将本文提供的教诲和指导应用于特定的物种并会理解新陈代谢修饰的识别可以包括直系同源的识别和包含或灭活。如果编码催化相似或基本上相似的新陈代谢反应的酶的旁系同源和/或非直系同源基因置换存在于参照微生物内，本领域的技术人员还可以利用这些进化上相关的基因。
[0066] 直系同源、旁系同源和非直系同源基因置换可以通过本领域的技术人员熟知的方法确定。例如，对两种多肽的核酸或氨基酸序列的检验将揭示所比较的序列之间的序列一致性和相似性。基于这种相似性，本领域的技术人员可以确定相似性是否足够高以表明蛋白质是通过进化自共同的祖先而相关的。本领域的技术人员熟知的算法(如Align、BLAST、Clustal W以及其他)比较并确定原始序列相似性或一致性，以及还确定序列内空隙的存在或大小，其可以被赋予权数或得分。这类算法在本领域也已知并同样适用于确定核苷酸序列的相似性或一致性。足够的相似性以确定相关性的参数的计算基于熟知的用于计算统计相似性的方法或在随机多肽中发现相似匹配的几率以及确定的所述匹配的程度。如果需要，两个或两个以上序列的计算机对比还可以由本领域的技术人员进行可视优化。相关的基因产物或蛋白质应该具有高度的相似性，例如，25%到100%的序列一致性。不相关的蛋白质可以具有一致性，所述一致性基本上与预计将发生的几率相同，如果扫描一个具有相当规模的数据库(约5%)。5%到24%之间的序列可代表或不代表足以得出所比较的序列具有相关性的结论的同源性。在给定数据集的大小的情况下，可以进行额外的确定这种匹配的程度的统计分析，以确定这些序列的相关性。
[0067]用于使用例如，所述BLAST算法确定两个或两个以上序列的相关性的示例性参数可以如下文描述。简言之，氨基酸序列比对可以使用BLASTP版本2.0.8(1999年I月5日)以及以下参数执行:矩阵:0BL0SUM62 ;空位开放:11 ;空位延伸:1 ；x_dropoff:50 ;期望值:
10.0 ;序列长度:3 ;过滤器:开。核酸序列比对可以使用BLASTN版本2.0.6 (1998年9月16日)以及以下参数执行:匹配:1 ;错配:-2 ;空位开放:5 ;空位延伸:2 ；x_dropoff:50 ;期望值:10.0 ;序列长度:11 ;过滤器:关。本领域的技术人员会知道对以上参数作何修改会例如，增加或减少比较的严格性，以及确定两个或两个以上序列的相关性。
[0068]在一个实施方式中，本发明提供了一种具有甲基丙烯酸酯类途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸酯类途径酶的以足以生产甲基丙烯酸酯类的量表达的至少一种外源性核酸，其中该甲基丙烯酸酯类途径包含醇转移酶或酯形成酶，以及脱水酶。在特定的实施方式中，该微生物包含两种外源性核酸，每种均编码甲基丙烯酸酯类途径酶。例如，该两种外源性核酸可以编码醇转移酶以及脱水酶或替代性地，酯形成酶和脱水酶。在特定的实施方式中，该至少一种外源性核酸可以是异源性核酸。在另一实施方式中，该非天然存在的微生物可以在基本上厌氧的培养基中。此外，本发明提供了一种用于生产甲基丙烯酸酯类的方法，该方法包含在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸酯类这么长的时间内培养本文披露的具有甲基丙烯酸酯类途径的非天然存在的微生物。
[0069]此外，本发明提供了一种了具有甲基丙烯酸甲酯途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸甲酯途径酶的以足以生产甲基丙烯酸甲酯的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸甲酯途径包含醇转移酶或酯形成酶，以及脱水酶。在进一步的实施方式中，该微生物可以包含两种外源性核酸，每种均编码甲基丙烯酸甲酯途径酶。在特定的实施方式中，该两种外源性核酸可以编码醇转移酶以及脱水酶或替代性地，酯形成酶和脱水酶。在另一实施方式中，该至少一种外源性核酸可以是异源性核酸。在另一实施方式中，该非天然存在的微生物可以在基本上厌氧的培养基中。本发明还提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸甲酯这么长的时间内培养一种具有甲基丙烯酸甲酯途径的非天然存在的微生物来生产甲基丙烯酸甲酯的方法。
[0070]在一个实施方式中，本发明提供了一种非天然存在的微生物，其包含具有甲基丙烯酸酯类途径的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸酯类途径酶的以足以生产甲基丙烯酸酯类的量表达的至少一种外源性核酸，所述甲基丙烯酸酯类途径包含醇转移酶或酯形成酶，以及脱水酶。在一个方面，该非天然存在的微生物包含两种外源性核酸，每种均编码甲基丙烯酸酯类途径酶。在一个方面，该两种外源性核酸编码醇转移酶以及脱水酶或替代性地，酯形成酶和脱水酶。在另一方面，该至少一种外源性核酸是异源性核酸。在另一方面，该非天然存在的微生物在基本上厌氧的培养基中。
[0071 ] 在一个实施方式中，本发明提供了一种非天然存在的微生物，其中所述脱水酶将
3-羟基异丁酸酯或2-羟基异丁酸酯转化为所述甲基丙烯酸酯类。在一个实施方式中，本发明提供了一种非天然存在的微生物，其中所述醇转移酶将3-羟基异丁酰基-CoA转化为
3-羟基异丁酸酯或将2-羟基异丁酰基-CoA转化为2-羟基异丁酸酯。
[0072]在一个实施方式中，本发明了一种非天然存在的微生物，其中所述微生物进一步包含甲基丙烯酸酯类途径，该途径包含编码甲基丙烯酸酯类途径酶的以足以生产甲基丙烯酸酯类的量表达的至少一种外源性核酸，所述甲基丙烯酸酯类途径包含选自如下的途径:
(a)3-羟基异丁酸酯-CoA转移酶或3-羟基异丁酸酯-CoA合成酶；醇转移酶；以及脱水酶；
(b)3-羟基异丁酸酯形成酶和脱水酶脱水酶；(c) 2-羟基异丁酸酯-CoA转移酶或2-羟基异丁酸酯-CoA合成酶；醇转移酶；以及脱水酶；或((1)2-羟基异丁酸酯形成酶和脱水酶。在一个方面，本发明提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸酯类这么长的时间内培养本文披露的非天然存在的微生物来生产甲基丙烯酸酯类的方法。
[0073]在一个实施方式中，本发明提供了一种非天然存在的微生物，其包含具有甲基丙烯酸甲酯途径的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸甲酯途径酶的以足以生产甲基丙烯酸甲酯的量表达的至少一种外源性核酸，所述甲基丙烯酸甲酯途径包含醇转移酶或酯形成酶，以及脱水酶。在一个方面，该微生物包含两种外源性核酸，每种均编码甲基丙烯酸甲酯途径酶。在另一方面，该两种外源性核酸编码醇转移酶以及脱水酶或替代性地，酯形成酶和脱水酶。在另一方面，该至少一种外源性核酸是异源性核酸。在另一方面，该非天然存在的微生物在基本上厌氧的培养基中。
[0074]在一个实施方式中，本发明提供了一种用于生产甲基丙烯酸甲酯的方法，该方法包含在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸甲酯这么长的时间内培养本文所述的非天然存在的微生物。
[0075]在一个实施方式中，本发明提供了一种用于生产甲基丙烯酸酯类的方法，该方法包含在各种条件下以及在足以生产3-羟基异丁酸酯这么长的时间内培养一种非天然存在的微生物并将所述3-羟基异丁酸酯化学脱水以生产甲基丙烯酸酯类，其中所述非天然存在的微生物包含编码醇转移酶或3-羟基异丁酸酯形成酶的以足以生产3-羟基异丁酸酯的量表达的外源性核酸。
[0076]在一个实施方式中，本发明提供了一种用于生产甲基丙烯酸酯类的方法，该方法包含在各种条件下以及在足以生产2-羟基异丁酸酯这么长的时间内培养一种非天然存在的微生物并将所述2-羟基异丁酸酯化学脱水以生产甲基丙烯酸酯类，其中所述非天然存在的微生物包含编码醇转移酶或2-羟基异丁酸酯形成酶的以足以生产2-羟基异丁酸酯的量表达的外源性核 酸。
[0077]在一个实施方式中，本发明提供了一种用于生产甲基丙烯酸甲酯的方法，该方法包含在各种条件下以及在足以生产甲基-3-羟基异丁酸酯这么长的时间内培养一种非天然存在的微生物并将所述甲基-3-羟基异丁酸酯化学脱水以生产甲基丙烯酸甲酯，其中所述非天然存在的微生物包含编码醇转移酶或酯形成酶的以足以生产甲基-3-羟基异丁酸酯的量表达的外源性核酸。
[0078]在上述方法的一个方面，该外源性核酸是异源性核酸。在上述方法的另一方面，该非天然存在的微生物在基本上厌氧的培养基中。
[0079]在一个实施方式中，本发明提供了一种方法，其中所述微生物进一步包含3-羟基异丁酸酯途径，该途径包含编码3-羟基异丁酸酯途径酶的以足以生产3-羟基异丁酸酯的量表达的至少一种外源性核酸，所述3-羟基异丁酸酯途径包含选自如下的途径:(a) 3-羟基异丁酸酯-CoA转移酶或3-羟基异丁酸酯-CoA合成酶；以及醇转移酶；或(10 3-羟基异丁酸酯形成酶。在另一实施方式中，本发明提供了一种方法，其中所述微生物进一步包含2-羟基异丁酸酯途径，该途径包含编码2-羟基异丁酸酯途径酶的以足以生产2-羟基异丁酸酯的量表达的至少一种外源性核酸，所述2-羟基异丁酸酯途径包含选自如下的途径:(a) 2-羟基异丁酸酯-CoA转移酶或2-羟基异丁酸酯-CoA合成酶；以及醇转移酶；或6)2-羟基异丁酸酯形成酶。
[0080]如本文所披露，本发明提供具有甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸。示例性途径包括但不仅限于图1中所披露的途径。示例性甲基丙烯酸途径包括，例如，对应于图1中所显示的酶的途径(如下以及在下文中做了更详细的讨论):途径(1)A/B/C;途径(2)A/B/G/H ;途径(3 ) A/F/G/C ;途径(4 ) A/F/H ;途径(5 ) D/E/B/C ;途径(6 ) D/E/B/G/H ；途径
(7)D/E/F/H ;途径(8)D/E/F/G/C ;途径(9) I/J/C ;途径(10) I/J/G/H ;途径(11) I/L/K/E/B/C ;途径(12) I/L/K/E/B/G/H ;途径(13) I/L/K/E/F/H ;以及途径(14) I/L/K/E/F/G/C。[0081]在特定的实施方式中，本发明提供了一种非天然存在的微生物，其包含具有甲基丙烯酸途径的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含柠苹酸合酶(A)、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)(B)以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(1)A/B/C)。如本文所披露，该微生物可以包含编码甲基丙烯酸途径酶(包括途径中乃至所有酶)的一种以上外源性核酸，例如，编码柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)以及柠康酸脱羧酶的三种外源性核酸。
[0082]在特定的实施方式中，本发明的生产MAA的非天然存在的微生物可以具有至少一种外源性核酸，该外源性核酸是异源性核酸。在另一实施方式中，该生产MAA的非天然存在的微生物可以在基本上厌氧的培养基中。
[0083]在另一实施方式中，本发明提供了一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含柠苹酸合酶(A)、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)(B)、柠康酸异构酶(G)以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(2)A/B/G/H)。在仍然另一实施方式中，本发明提供了一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含柠苹酸合酶(A)、柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F)、柠康酸异构酶(G)以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(3)六作/6/0。
[0084]在进一步的实施方式中，本发明提供了一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含柠苹酸合酶(A)、柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F)以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(4)A/F/H)。在又一进一步的实施方式中，本发明提供了一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含柠苹酰-CoA裂解酶(D);柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E);柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)(B)以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(5)D/E/B/C)。
[0085]在附加实施方式中，本发明提供了一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含柠苹酰-CoA裂解酶(D);柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E);柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)(B);柠康酸异构酶(G)以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(6)D/E/B/G/H)。在仍然另一实施方式中，本发明提供了一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含柠苹酰-CoA裂解酶(D);柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E);柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F)以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(7)D/E/F/H)。
[0086] 在另一实施方式中，本发明提供了一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含柠苹酰-CoA裂解酶(D);柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E);柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F)，柠康酸异构酶(G)以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(8)D/E/F/G/C)。另外地，本发明提供了一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含乌头酸脱羧酶(I )、衣康酸异构酶(J)以及柠康酸脱羧酶(C)(图 1，途径(9) I/J/C)。
[0087]在又一进一步的实施方式中，本发明提供了一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含乌头酸脱羧酶(I)、衣康酸异构酶(J)、柠康酸异构酶(G)以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(10)I/J/G/H)。在附加实施方式中，本发明提供了一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含乌头酸脱羧酶(I);衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(L);柠苹酰-CoA脱水酶(K);柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E);柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)(B)以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(11) I/L/K/E/B/C)。
[0088]本发明还提供了一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含乌头酸脱羧酶(I);衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(L);柠苹酰-CoA脱水酶(K);柠苹酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶(E);柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)(B);柠康酸异构酶(G)以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(12)I/L/K/E/B/G/H)。在仍然进一步的实施方式中，本发明提供了一种非天然存在的微生物，其包含具有甲基丙烯酸途径的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含乌头酸脱羧酶(I);衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(L)；柠苹酰-CoA脱水酶(K);柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E);柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F)以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(13) I/L/K/E/F/H)。在附加实施方式中，本发明提供了一种包含 甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含乌头酸脱羧酶(I);衣康酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶(L);柠苹酰-Cok脱水酶(K);柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E);柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F);柠康酸异构酶(G)以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(14) I/L/K/E/F/G/C)。
[0089]在附加实施方式中，本发明提供了一种具有甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，其中该非天然存在的微生物包含编码酶或蛋白质的至少一种外源性核酸，所述酶或者蛋白质进行选自如下的从底物到产品的转化:乙酰基-CoA以及丙酮酸到柠苹酸，柠苹酸到柠康酸，以及柠康酸到甲基丙烯酸酯类；乙酰基-CoA以及丙酮酸到柠苹酰-CoA，柠苹酰-CoA到柠苹酸，柠苹酸到柠康酸，以及柠康酸到甲基丙烯酸酯；乌头酸到衣康酸，衣康酸到衣康酰-CoA，衣康酰-CoA到柠苹酰-CoA，柠苹酰-CoA到柠苹酸，柠苹酸到中康酸，中康酸到甲基丙烯酸酯类，以及诸如此类，如本文所述的反应以及图1中所显示的示例性甲基丙烯酸途径中所显示的那些底物以及产品。本领域的技术人员会理解这些仅仅是示例性以及基于本文的教导，本领域的技术人员可以容易地确定本文披露的任何适于生产所需产品以及具有从底物到产品的转化所需的适当活性的底物-产品对。因此，本发明提供了一种包含编码酶或者蛋白质的至少一种外源性核酸的非天然存在的微生物，其中该酶或者蛋白质转化甲基丙烯酸途径的底物以及产品，如图1中所示。此外，提供包含如下酶的甲基丙烯酸途径:乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-CoA还原酶；巴豆酸酶；4_羟基丁酰基-CoA脱水酶(或巴豆酰基-Cok水合酶，4-羟基);4_羟基丁酰基-Cok变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA合成酶或3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶；以及3-羟基异丁酸酯脱水酶(见实施例XXII以及图21)。还提供包含如下酶的甲基丙烯酸途径:乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-CoA还原酶；巴豆酸酶；4_羟基丁酰基-CoA脱水酶；4_羟基丁酰基-CoA变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-Cok水解酶或异丁烯酰基-Cok转移酶(见实施例XXII以及图21)。
[0090]虽然本文中一般地描述了一种包含甲基丙烯酸途径的微生物，但是可以理解的是，本发明另外提供了一种非天然存在的微生物，该微生物包括编码甲基丙烯酸途径酶的以足以产生甲基丙烯酸途径的中间体的量表达的至少一种外源性核酸。例如，如本文所披露，甲基丙烯酸途径的示例见图1。因此，除了包含生产甲基丙烯酸的甲基丙烯酸途径的微生物，本发明还提供了一种包括编码甲基丙烯酸途径酶的至少一种外源性核酸的非天然存在的微生物,其中该微生物生产甲基丙烯酸途径中间体,例如,柠苹酰-CoA、衣康酰-CoA、衣康酸、柠康酸、柠苹酸以及中康酸。
[0091]理解的是，本文披露的，如实施例中所述的以及附图1-30的途径中示范的任何途径可用以生成一种根据需要生产任何途径中间体或者产品的非天然存在的微生物。如本文所披露，这类生产中间体的微生物可以与另一种表达下游途径酶的微生物组合使用，以生产所需的产品。然而，理解的是，生产甲基丙烯酸途径中间体的非天然存在的微生物可用以将该中间体作为所需的产品来生产。
[0092]本发明还部分地针对经设计的生物合成途径，以改善通向甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的路径中通过中央新陈代谢中间体的碳通量。本发明提供具有一种或多种外源性基因的非天然存在的微生物，所述基因编码可以在通向甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的路径中催化各种酶催转换的酶。在某些实施方式中，这些酶催转换是还原三羧酸(RTCA)循环的一部分以及被用于改善产物收率(包括但不仅限于基于碳水化合物的碳原料的产物收率)。
[0093]在众多工程途径中，还原当量不足或还原当量和/或碳消耗为副产物阻碍了基于碳水化合物原料的最大产品收率的实现。根据某些实施方式，本发明通过如下方式提高甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的收率:(i)经由还原TCA循环增强碳固定；和/或(ii)使用来自气态碳源和/或合成气组分(如CO、CO2和/或H2)的额外还原当量。除了合成气，这类气体的其他来源包括但不仅限于如自然界中发现或生成的大气。
[0094]CO2固定还原三羧酸(RTCA)循环是利用还原当量以及ATP (图12)的CO2同化的吸能合成代谢途径。一轮RTCA循环将2mol的CO2同化为Imol的乙酰基-Cok ;或将4mol的CO2同化为Imol的草酰乙酸。乙酰基-CoA的这种附加可用性改善了衍生自基于碳水化合物的碳原料的产物分子的最大理论收率。示例性碳水化合物包括但不仅限于葡萄糖、蔗糖、木糖、阿拉伯糖以及甘油。
[0095]在某些实施方式中，该还原TCA循环耦合有一氧化碳脱氢酶和/或氢化酶，可以被用于允许微生物利用合成气、CO2, CO、H2和/或其他气态碳源。具体地，合成气体(合成气)是一种主要含H2和CO，有时包括一定量的CO2的混合物，其可以通过气化任何有机原料(如煤炭、煤油、天然气、生物质或有机废物)获得。已经开发了多种气化工艺，以及大多数设计是基于部分氧化，其中高温(500-1500°C)下，有限的氧避免了有机材料的充分燃烧，以提供作为0.5:1-3:1H2/C0混合物的合成气。除了煤炭之外，还有许多类型的生物质已经被用于合成气生产并代表了一种用于可再生化学品和燃料的生物生产的廉价且灵活的原料。二氧化碳可以从大气中或以浓缩形式(例如从缸筒中)或者经由固态CO2升华提供。类似地，CO和氢气可以以试剂形式提供和/或以任何所需的比例混合。其他气态碳形式可以包括，例如甲醇或类似的挥发性有机溶剂。
[0096]合成气体和/或其他碳源的组分可以提供还原TCA循环运行所需的足量CO2、还原当量和ATP。一轮RTCA循环将2mol的CO2同化为Imol的乙酰基-CoA并需要2份ATP和4份还原当量。CO和/或4可以分别通过一氧化碳脱氢酶和氢化酶提供还原当量。还原当量的形式可以是NADH、NADPH、FADH、被还原的醌类、被还原的铁氧还蛋白、被还原的黄素氧化还原蛋白以及硫氧还蛋白。该还原当量，具体地是NADH、NADPH以及被还原的铁氧还蛋白，可以作为RTCA循环酶(例如，苹果酸脱氢酶；富马酸还原酶；α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶(替代性地，称为2-氧代戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶、α -酮戊二酸合酶或2-氧代戊二酸合酶);丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶以及异柠檬酸脱氢酶)的辅因子。来自这些还原当量的电子可以替代性地通过产生离子梯度的电子运输链，其中它们被传送到受体，如氧、硝酸盐、氧化的金属离子、质子或电极。该离子梯度然后可以用于经由ATP合酶或类似酶生成ATP。
[0097]据报道,该还原TCA循环首次发现于绿硫光合细菌泥生绿菌中(Evans等人，Proc.Natl.Acad.Sc1.U.S.A.55:928-934 (1966))。类似途径已经被表征于某些原核生物(变形菌门、绿硫细菌以及嗜热Knallgas细菌)以及依赖硫的古生菌中(Hugler等人，J.Bacteriol? 187:3020-3027 (2005; Hugler 等人，Environ.Microbiol.9:81-92 (2007).在某些情况下，还原以及氧化(Krebs) TCA循环存在于相同的生物中(Hugler等人，同上(2007) ；Siebers等人，J.Bacteriol.186:2179-2194 (2004))。一些产甲烷菌和专性厌氧微生物具有不完整的氧化或还原TCA循环，该循环可以起作用，以合成生物合成的中间体(Ekiel等人，J.Bacteriol.162:905-908 (1985) ; Wood 等人，FEMS Microbiol.Rev.28:335-352 (2004))。
[0098]该还原TCA循环的关键碳固定酶是α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶以及异柠檬酸脱氢酶。额外的碳可以在通过磷酸烯醇丙酮酸羧化酶或磷酸烯醇丙酮酸羧激酶将磷酸烯醇丙酮酸转化为草酰乙酸或通过苹果酸酶将丙酮酸转化为苹果酸的过程中得以固定。
[0099] 该TCA循环中的许多酶是可逆的以及可以按还原和氧化方向催化反应。然而，一些TCA循环反应则是活体内不可逆的以及因此，不同的酶被用于按逆向TCA循环所需的方向催化这些反应。这些反应是:(I)柠檬酸到草酰乙酸以及乙酰基-CoA的转化；(2)富马酸到琥珀酸的转化；以及(3)琥珀酰-CoA到α-酮戊二酸的转化。在该TCA循环中，柠檬酸形成自草酰乙酸以及乙酰基-CoA的冷凝。柠檬酸到草酰乙酸以及乙酰基-CoA的逆向反应、裂解是依赖ATP的以及通过ATP-柠檬酸裂解酶或柠檬酰基-CoA合成酶以及柠檬酰基-CoA裂解酶催化。替代性地，柠檬酸裂解酶可以连接到乙酰基-CoA合成酶、乙酰基-CoA转移酶或磷酸转乙酰基酶以及醋酸激酶，以从柠檬酸形成乙酰基-CoA以及草酰乙酸。琥珀酸到富马酸的转化通过琥珀酸脱氢酶催化，而逆向反应则通过富马酸还原酶催化。在该TCA循环中，琥珀酰-CoA形成自通过α -酮戊二酸脱氢酶复合体的α -酮戊二酸的依赖NAD(P)+的脱羧。逆向反应则通过α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶催化。
[0100]能够利用该逆向三羧酸循环以在1)C0 ;2)C02和H2 ;3)C0和CO2 ;4)包含CO和H2的合成气体；以及5)包含CO、CO2和H2的合成气体或其他气态碳源上实现乙酰基-CoA源的产物的生产的生物可以包括任何如下酶活性:ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；乌头酸酶；异柠檬酸脱氢酶；α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；琥珀酰-Cok合成酶；琥珀酰-Cok转移酶；富马酸还原酶；富马酸酶；苹果酸脱氢酶；醋酸激酶；磷酸转乙酰基酶；乙酰基-CoA合成酶；乙酰基-CoA转移酶；丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；NAD(P)H:铁氧还蛋白氧化还原酶；一氧化碳脱氢酶；氢化酶；以及铁氧还蛋白(见图13)。本文描述了酶以及这些活性所需的相应基因。
[0101]来自合成气或其他气态碳源的碳可以经由该逆向TCA循环及其组分固定。具体地，具有用于从乙酰基-CoA形成甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的途径的某些碳气体利用途径组分的组合通过提供用于将外源性地提供或从CO内源性地生产的二氧化碳中存在的碳固定到乙酰基-CoA中的高效机制获得这些产物的高收率。
[0102]在某些实施方式中，本发明的一种非天然存在的微生物中的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径可以利用(I) CO ; (2) CO2 ; (3) H2的任何组合或其混合物，以提高除了驱动该还原TCA循环之外，还涉及还原的生物合成步骤的收率。
[0103]在某些实施方式中，一种具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的非天然存在的微生物包括编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸。该至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶、柠檬酸裂解酶、富马酸还原酶、异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶以及α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；以及至少一种外源性酶选自以允许利用(I)CO ;(2)C02 ;(3)Η2 ;(4)C02 和 H2 ;(5)C0 和 CO2 ； (6) CO 和!12或(7)C0、C02和仏的足够的量表达的一氧化碳脱氢酶、氢化酶、NAD (P)H:铁氧还蛋白氧化还原酶以及铁氧还蛋白。
[0104]在某些实施方式中，一种方法包括培养一种非天然存在的微生物，该微生物具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径，该途径还包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸。该至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶、柠檬酸裂解酶、富马酸还原酶、异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶以及α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶。另外地，这样一种生物还可以包括选自如下以允许利用(I) CO; (2) CO2;
(3)H2 ； (4) CO2和H2 ; (5) CO和CO2 ; (6) CO和H2或(7) CO、CO2和H2以生产产品的足够的量表达的至少一种外源性酶:一氧化碳脱氢酶、氢化酶、NAD(P)H:铁氧还蛋白氧化还原酶以及铁氧还蛋白。
[0105]在某些实施方式中，一种具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的非天然存在的微生物进一步包括以足以提高通过乙酰基-CoA的碳通量的量表达的还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸。该至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；异柠檬酸脱氢酶；乌头酸酶以及α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶。[0106]在某些实施方式中，一种具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的非天然存在的微生物包括编码酶的至少一种外源性核酸，所述酶以足以提高存在一氧化碳和/或氢时还原当量的可用性的量表达，从而提高经由基于碳水化合物的碳原料的氧化还原受限的产物的收率。该至少一种外源性核酸选自一氧化碳脱氢酶；氢化酶；NAD(P)H:铁氧还蛋白氧化还原酶以及铁氧还蛋白。在某些实施方式中，本发明提供了一种用于提高存在一氧化碳或氢时还原当量的可用性，从而提高经由基于碳水化合物的碳原料(如糖类或气态碳源)的氧化还原受限的产物的收率的方法，该方法包括在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯这么长的时间内培养这种非天然存在的微生物。
[0107]在某些实施方式中，该具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的非天然存在的微生物包括两种外源性核酸，每种均编码还原TCA途径酶。在某些实施方式中，该具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的非天然存在的微生物包括三种外源性核酸，每种均编码还原TCA途径酶。在某些实施方式中，该非天然存在的微生物包括编码ATP-柠檬酸裂解酶、富马酸还原酶以及α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶的三种外源性核酸。在某些实施方式中，该非天然存在的微生物包括编码柠檬酸裂解酶、富马酸还原酶以及α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶的三种外源性核酸。在某些实施方式中，该非天然存在的微生物包括编码丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶或磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶以及H2氢化酶的四种外源性核酸。在某些实施方式中，该非天然存在的微生物包括编码CO脱氢酶以及H2氢化酶的两种外源性核酸。
[0108]在某些实施方式中，该具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的非天然存在的微生物进一步包括编码选自如下酶的外源性核酸:丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；乌头酸酶；异柠檬酸脱氢酶；琥珀酰-CoA合成酶；琥珀酰-CoA转移酶；富马酸酶；苹果酸脱氢酶；醋酸激酶；磷酸转乙酰基酶；乙酰基-Cok合成酶；NAD(P)H:铁氧还蛋白氧化还原酶；及其组合。
[0109]在某些实施方式中，该具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的非天然存在的微生物进一步包括编码选自如下酶的外源性核酸:一氧化碳脱氢酶；乙酰基-CoA合酶；铁氧还蛋白；NAD(P)H:铁氧还蛋白氧化还原酶；及其组合。
[0110]在某些实施方式中，该具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的非天然存在的微生物利用选自如下的碳原料:(I) CO ; (2) CO2 ; (3)CO2和H2 ; (4) CO和H2或(5) CO、CO2和H2。在某些实施方式中，该具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的非天然存在的微生物将氢用于还原当量。在某些实施方式中，该具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的非天然存在的微生物将CO用于还原当量。在某些实施方式中，该具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的非天然存在的微生物将CO和氢的组合用于还原当量。
[0111]在某些实施方式中，该具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的非天然存在的微生物进一步包括编码选自如下酶的一种或多种核酸磷酸:烯醇丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇丙酮酸羧激酶、丙酮酸羧化酶以及苹果酸酶。
[0112]在某些实施方式中，该具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或
2-羟基异丁酸酯途径的非天然存在的微生物进一步包括编码选自如下酶的一种或多种核酸:苹果酸脱氢酶、富马酸酶、富马酸还原酶、琥珀酰-CoA合成酶以及琥珀酰-CoA转移酶。
[0113]在某些实施方式中，该具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的非天然存在的微生物可以具有或可选地进一步包括编码如下的至少一种外源性核酸:柠檬酸裂解酶；ATP-柠檬酸裂解酶；梓檬酰基-CoA合成酶；梓檬酰基-Cok裂解酶；乌头酸酶；异柠檬酸脱氢酶；琥珀酰-CoA合成酶；琥珀酰-Cok转移酶；富马酸酶；苹果酸脱氢酶；醋酸激酶；磷酸转乙酰基酶；乙酰基-CoA合成酶以及铁氧还蛋白。
[0114]本领域技术人员理解的是，本文所描述的用于提高产品收率的途径可以结合本文所披露的任何途径，包括附图中描述的那些途径。本领域技术人员将理解的是，根据通向所需产品的途径和该途径的前体和中间体，本文所讨论的以及在实施例中的用于提高产品收率的特定途径或这种途径的组合可以结合通向所需产品的途径使用，以增加该产品或途径中间体的收率。
[0115] 本发明还提供了一种非天然存在的微生物，其包含具有甲基丙烯酸途径的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸；所述非天然存在的微生物进一步包含:(i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶以及α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；或可选地选自异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶、柠檬酰基-CoA合成酶或柠檬酰基-CoA裂解酶；(ii)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；co脱氢酶以及H2氢化酶编码选自如下酶的至少一种外源性核酸:C0脱氢酶；H2氢化酶；及其组合；其中所述甲基丙烯酸途径包含选自如下的途径:Ca)柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)以及柠康酸脱羧酶；(b)柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)、柠康酸异构酶以及中康酸脱羧酶；(c)柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(中康酸形成)、柠康酸异构酶以及柠康酸脱羧酶；(d)柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(中康酸形成)以及中康酸脱羧酶；(e)柠苹酰-CoA裂解酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)以及柠康酸脱羧酶；(f)柠苹酰-CoA裂解酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)；柠康酸异构酶以及中康酸脱羧酶；(g)柠苹酰-Cok裂解酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成)以及中康酸脱羧酶；(h)柠苹酰-CoA裂解酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成);柠康酸异构酶以及柠康酸脱羧酶；(i)乌头酸脱羧酶、衣康酸异构酶以及柠康酸脱羧酶；(j)乌头酸脱羧酶、衣康酸异构酶、柠康酸异构酶以及中康酸脱羧酶；(k)乌头酸脱羧酶；衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-CoA脱水酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)以及柠康酸脱羧酶；(I)乌头酸脱羧酶；衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-CoA脱水酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成);柠康酸异构酶以及中康酸脱羧酶；(M)乌头酸脱羧酶；衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-CoA脱水酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成)以及中康酸脱羧酶；(η)乌头酸脱羧酶；衣康酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-CoA脱水酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成)；柠康酸异构酶以及柠康酸脱羧酶；(0)3-羟基异丁酸酯脱水酶；(P)甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-C oA还原酶、3-羟基异丁酸酯脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；(q)甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA表异构酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-羟基异丁酸酯脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；(r)甲基丙二酰基-CoA变位酶、醇/醛脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；(s)甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA表异构酶、醇/醛脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；(t)甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-氨基-2-甲基丙酸转氨酶以及3-氨基-2-甲基丙酸氨裂解酶；(U)甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA表异构酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-氨基-2-甲基丙酸转氨酶以及3-氨基-2-甲基丙酸氨裂解酶；(V) 4-羟基丁酰基-CoA变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA合成酶或3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶；以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；(w)天冬氨酸氨基转移酶、谷氨酸变位酶、3-甲基天冬氨酸酶以及中康酸脱羧酶；(X) α -酮戊二酸还原酶、2-羟基谷氨酸变位酶、3-甲基苹果酸脱水酶以及中康酸脱羧酶；(y)乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-Cok还原酶；3-羟基丁酰基-CoA变位酶；2_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA转移酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA合成酶；(z)乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-CoA还原酶；3_羟基丁酰基-CoA变位酶；2_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；烯酰基-CoA水合酶；以及3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA合成酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶；以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；(aa)4-羟基丁酰基-CoA脱水酶；乙烯乙酰基-Cok Δ -异构酶；巴豆酸酶；3_羟基丁酰基-Cok变位酶；2_羟基异丁酰基-Cok脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA转移酶的任何一种；(bb) 4-羟基丁酰基-CoA变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA转移酶；(cc)乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-Cok还原酶；巴豆酸酶；丁酰基-Cok脱氢酶；异丁酰基-Cok变位酶；异丁酰基-CoA脱氢酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA转移酶；(dd)乳酸脱氢酶、乳酸-CoA转移酶、乳酰基-CoA脱水酶、酰基-CoA脱氢酶、丙酰基-CoA羧化酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-羟基异丁酸酯脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；(ee)缬氨酸氨基转移酶；2_酮异戊酸脱氢酶；异丁酰基-CoA脱氢酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA转移酶；(--)缬氨酸氨基转移酶；2_酮异戊酸脱氢酶；异丁酰基-CoA脱氢酶；异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA转移酶；乙酰乳酸合酶；乙酰羟酸还原异构酶以及二羟酸脱水酶；(gg)乙酰乙酰基-Cok硫解酶；乙酰乙酰基-Cok还原酶；巴豆酸酶；4_羟基丁酰基-CoA脱水酶；4_羟基丁酰基-CoA变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA合成酶或3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶；以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；以及(hh)乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-Cok还原酶；巴豆酸酶；4_羟基丁酰基-Cok脱水酶；4_羟基丁酰基-CoA变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA转移酶。
[0116]此外，本发明提供了一种具有2-羟基异丁酸途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码2-羟基异丁酸途径酶的以足以生产2-羟基异丁酸的量表达的至少一种外源性核酸。这样一种非天然存在的微生物可以进一步包含(i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中该至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；或可选地选自异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶、柠檬酰基-CoA合成酶或柠檬酰基-CoA裂解酶；(ii)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中该至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶以及H2氢化酶j(iii)编码选自如下酶的至少一种外源性核酸:C0脱氢酶；H2氢化酶；及其组合；其中该2-羟基异丁酸途径包含选自如下的途径:(a)乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-Cok还原酶；3_羟基丁酰基-Cok变位酶；以及2-羟基异丁酰基-Cok转移酶或
2-羟基异丁酰基-CoA水解酶或2-羟基异丁酰基-CoA合成酶；以及(b)4_羟基丁酰基-CoA脱水酶；乙烯乙酰基-Cok Δ -异构酶；巴豆酸酶；3_羟基丁酰基-Cok变位酶；以及2-羟基异丁酰基-CoA水解酶或2-羟基异丁酰基-CoA合成酶或2-羟基异丁酰基-CoA转移酶的任何一种(见图16C)。该非天然存在的微生物可以包含两种、三种、四种或五种外源性核酸，每种均编码甲基丙烯酸途径酶，乃至该途径的所有酶。
[0117]本发明进一步提供了一种非天然存在的微生物，其包含具有3-羟基异丁酸途径的微生物，该途径包含编码3-羟基异丁酸途径酶的以足以生产3-羟基异丁酸的量表达的至少一种外源性核酸。该非天然存在的微生物可以进一步包含(i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；或可选地选自异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶、朽1檬酰基-CoA合成酶或朽1檬酰基-CoA裂解酶；(ii)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中该至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶；以及H2氢化酶；或(iii)编码选自如下酶的至少一种外源性核酸:C0脱氢酶；H2氢化酶；及其组合；其中该3-羟基异丁酸途径包含选自如下的途径:(a)4-羟基丁酰基-Cok变位酶；以及(b) 4-羟基丁酰基-CoA变位酶以及3-羟基异丁酰基-Cok合成酶或
3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶(见图16B)。该非天然存在的微生物可以包含两种外源性核酸，每种均编码甲基丙烯酸途径酶。
[0118] 本发明还提供了一种非天然存在的微生物，其包含具有3-羟基异丁酰基-CoA途径的微生物，该途径包含编码3-羟基异丁酸途径酶的以足以生产3-羟基异丁酸的量表达的至少一种外源性核酸。该非天然存在的微生物可以进一步包含(i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中该至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；或可选地选自异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶、朽1檬酰基-CoA合成酶或朽1檬酰基-CoA裂解酶；(ii)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中该至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶以及H2氢化酶编码选自如下酶的至少一种外源性核酸:C0脱氢酶；H2氢化酶；及其组合；其中该3-羟基异丁酰基-CoA途径包含4-羟基丁酰基-CoA变位酶(见图16B)。[0119]在进一步的实施方式中，包含(i)的微生物进一步包含编码选自如下酶的外源性核酸:丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；乌头酸酶；异柠檬酸脱氢酶；琥珀酰-CoA合成酶；琥珀酰-Cok转移酶；富马酸酶；苹果酸脱氢酶；醋酸激酶；磷酸转乙酰基酶；乙酰基-Cok合成酶；NAD(P)H:铁氧还蛋白氧化还原酶；铁氧还蛋白；及其组合；包含(ii)的微生物进一步包含编码选自如下酶的外源性核酸:乌头酸酶；异柠檬酸脱氢酶；琥珀酰-CoA合成酶；琥珀酰-CoA转移酶；富马酸酶；苹果酸脱氢酶；及其组合。
[0120]这样一种微生物可以包含两种、三种、四种、五种、六种或七种外源性核酸，每种均编码甲基丙烯酸途径酶，乃至途径的所有酶。例如，该微生物可以包含(a)编码柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)以及柠康酸脱羧酶的三种外源性核酸；(b)编码柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)、柠康酸异构酶以及中康酸脱羧酶的四种外源性核酸；(C)编码柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(中康酸形成)、柠康酸异构酶以及柠康酸脱羧酶的四种外源性核酸；(d)编码柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(中康酸形成)以及中康酸脱羧酶的三种外源性核酸；(e)编码柠苹酰-Cok裂解酶；柠苹酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)；以及柠康酸脱羧酶的四种外源性核酸；(f)编码柠苹酰-CoA裂解酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成);柠康酸异构酶；以及中康酸脱羧酶的五种外源性核酸；(g)编码柠苹酰-CoA裂解酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成)；以及中康酸脱羧酶的四种外源性核酸；(h)编码柠苹酰-CoA裂解酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成);柠康酸异构酶；以及柠康酸脱羧酶的五种外源性核酸；(i)编码乌头酸脱羧酶、衣康酸异构酶以及柠康酸脱羧酶的三种外源性核酸；(j)编码乌头酸脱羧酶、衣康酸异构酶、柠康酸异构酶以及中康酸脱羧酶的四种外源性核酸；(k)编码乌头酸脱羧酶；衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-CoA脱水酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成);以及柠康酸脱羧酶的六种外源性核酸；(I)编码乌头酸脱羧酶；衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-CoA脱水酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)；柠康酸异构酶；以及中康酸脱羧酶的七种外源性核酸；(M)编码乌头酸脱羧酶；衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；梓苹酰-CoA脱水酶；梓苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成)；以及中康酸脱羧酶的六种外源性核酸；或(11)编码乌头酸脱羧酶；衣康酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-Cok脱水酶；柠苹酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成)；柠康酸异构酶；以及柠康酸脱羧酶的七种外源性核酸；(ο)编码3-羟基异丁酸酯脱水酶的一种外源性核酸；(P)编码甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-羟基异丁酸酯脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶的四种外源性核酸；(q)编码甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA表异构酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-羟基异丁酸酯脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶的五种外源性核酸；Cr)编码甲基丙二酰基-CoA变位酶、醇/醛脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶的三种外源性核酸；(s)编码甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA表异构酶、醇/醛脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶的四种外源性核酸；(t)编码甲基丙二酰基-Cok变位酶、甲基丙二酰基-Cok还原酶、3-氨基-2-甲基丙酸转氨酶以及3-氨基-2-甲基丙酸氨裂解酶的四种外源性核酸；(U)编码甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA表异构酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-氨基-2-甲基丙酸转氨酶以及3-氨基-2-甲基丙酸氨裂解酶的五种外源性核酸；(v)编码4-羟基丁酰基-Cok变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA合成酶或3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶；以及3-羟基异丁酸酯脱水酶的三种外源性核酸；(w)编码天冬氨酸氨基转移酶、谷氨酸变位酶、3-甲基天冬氨酸酶以及中康酸脱羧酶的四种外源性核酸；(X)编码α-酮戊二酸还原酶、2-羟基谷氨酸变位酶、3-甲基苹果酸脱水酶以及中康酸脱羧酶的四种外源性核酸；(y)编码乙酰乙酰基-Cok硫解酶；乙酰乙酰基-Cok还原酶；3_羟基丁酰基-Cok变位酶；2_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA转移酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-Cok合成酶的五种外源性核酸；(z)编码乙酰乙酰基-Cok硫解酶；乙酰乙酰基-Cok还原酶；3-羟基丁酰基-CoA变位酶；2_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；烯酰基-CoA水合酶；以及3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA合成酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶；以及3-羟基异丁酸酯脱水酶的七种外源性核酸；(aa)编码4-羟基丁酰基-CoA脱水酶；乙烯乙酰基-Cok Δ -异构酶；巴豆酸酶；3_羟基丁酰基-Cok变位酶；2_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA转移酶的任何一种的六种外源性核酸；(bb)编码4-羟基丁酰基-CoA变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-Cok转移酶的三种外源性核酸；(cc)乙酰乙酰基-Cok硫解酶；乙酰乙酰基-Cok还原酶；巴豆酸酶；丁酰基-CoA脱氢酶；异丁酰基-CoA变位酶；异丁酰基-CoA脱氢酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA转移酶；(dd)乳酸脱氢酶、乳酸-Cok转移酶、乳酰基-Cok脱水酶、酰基-Cok脱氢酶、丙酰基-Cok羧化酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-羟基异丁酸酯脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；(ee)缬氨酸氨基转移酶；2_酮异戊酸脱氢酶；异丁酰基-CoA脱氢酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁 烯酰基-CoA转移酶；(--)缬氨酸氨基转移酶；2_酮异戊酸脱氢酶；异丁酰基-CoA脱氢酶；异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-Cok转移酶；乙酰乳酸合酶；乙酰羟酸还原异构酶以及二羟酸脱水酶；(gg)乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-CoA还原酶；巴豆酸酶；4_羟基丁酰基-CoA脱水酶；4_羟基丁酰基-CoA变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA合成酶或3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶；以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；以及(hh)乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-CoA还原酶；巴豆酸酶；4_羟基丁酰基-CoA脱水酶；4_羟基丁酰基-CoA变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA转移酶。
[0121]在另一实施方式中，微生物可以包含两种、三种、四种或五种外源性核酸，每种均编码(i)、(ii)或(iii)的酶。例如，包含(i)的微生物可以包含编码ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶的四种外源性核酸；包含(ii)的微生物可以包含编码丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶；以及H2氢化酶的五种外源性核酸；或包含(iii)的微生物可以包含两种外源性核酸编码CO脱氢酶以及H2氢化酶。
[0122]此外，本发明提供了一种非天然存在的微生物，其包含具有2-羟基异丁酸途径的微生物，该途径包含编码2-羟基异丁酸途径酶以足以生产2-羟基异丁酸的量表达的至少一种外源性核酸；其中所述2-羟基异丁酸途径酶选自图16C中所显示的那些酶；所述非天然存在的微生物进一步包含:(i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；或可选地选自异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶、柠檬酰基-CoA合成酶或柠檬酰基-CoA裂解酶；(ii)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶以及H2氢化酶；或(iii)编码选自如下酶的至少一种外源性核酸:C0脱氢酶；H2氢化酶；及其组合。
[0123]在进一步的实施方式中，本发明提供了一种非天然存在的微生物，其包含具有3-羟基异丁酸途径的微生物，该途径包含编码3-羟基异丁酸途径酶的以足以生产3-羟基异丁酸的量表达的至少一种外源性核酸；其中所述2-羟基异丁酸途径酶选自图16B中显示的那些酶；所述非天然存在的微生物进一步包含(i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；或可选地选自异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶、柠檬酰基-CoA合成酶或柠檬酰基-CoA裂解酶；(ii)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；co脱氢酶以及H2氢化酶编码选自如下酶的至少一种外源性核酸:C0脱氢酶；H2氢化酶；及其组合。
[0124]本发明部分地旨在将合成气或其组分、氢、二氧化碳以及一氧化碳作为还原当量的源来提高产品的理论收率。在众多工程途径中，还原当量不足或还原当量和/或碳消耗为副产物阻碍了基于碳水化合物原料的最大产品收率的实现。如果氢和/或一氧化碳可以提供足够的还原当量，则碳水化合物原料上一些产品的理论收率会大幅上升。例如，当存在H2时，MAA,2-羟基异丁酸酯以及3-羟基异丁酸酯的理论收率提高到2m0l/m0l葡萄糖。
[0125]还原当量或电子可以分别利用一氧化碳脱氢酶(C0DH)以及氢化酶提取自合成气体组分(如CO和4)。该还原当量然后被传送到受体，如被氧化的铁氧还蛋白、被氧化的醌类、被氧化的细胞色素、NADP+、水或过氧化氢，以分别形成被还原的铁氧还蛋白、被还原的醌类、被还原的细胞色素、NAD⑵H、H2或水。被还原的铁氧还蛋白和NAD⑵H是特别有用的，因为它们可以作为用于各种Wood-Ljungdahl途径以及还原TCA循环酶的氧化还原载体。
[0126]本文中，我们展示关于来自CO和/或仏的附加氧化还原可用性如何可以改善被还原的产物(如甲基丙烯酸、2-羟基异丁酸酯以及3-羟基异丁酸酯)的收率的具体实施例。
[0127]甲基丙烯酸(MAA)、3_羟基丁酸以及2-羟基异丁酸是示例性被还原的产品。通过发酵生产MAA的理论收率是1.33mol MAA/mol葡萄糖。最常见的是,将原料丙酮以及氰化氢作为原料从丙酮氰醇(ACH)路径进行生产。用硫酸将中间体氰醇转化为甲基丙烯酰胺的硫酸酯，所述硫酸酯水解提供硫酸氢铵和MAA。其他生产商以异丁烯或，等价地，叔丁醇开始，经氧化成为异丁烯醛，并再次氧化成为甲基丙烯酸。然后用甲醇将MAA酯化为MMA。甲基丙烯酸在工业上被用于制备其酯类，统称为甲基丙烯酸酯，如甲基丙烯酸甲酯。甲基丙烯酸酯，尤其是在聚合物的制造中，具有多种用途。
[0128]C6H12O6 — 1.33C4H602+0.67C02+2H20
[0129] 当将联合原料策略应用到MAA生产时，从合成气生成的还原当量可以通过图16A和图16B中详述的途径将从葡萄糖到MAA的理论收率提高到2mol MAA/mol葡萄糖。
[0130]1C6H1206+2C02+6H2 — 2C4H602+6H20
[0131]或者
[0132]1C6H1206+2C0+4H2 — 2C4H602+4H20
[0133]类似地，通过发酵对3-羟基异丁酸的生产可以通过该联合原料策略得以改善。通过发酵对3-羟基异丁酸的生产具有1.33mol3-羟基异丁酸/mol葡萄糖的理论收率。
[0134]3C6H1206 — 4C4H803+2C02+2H20
[0135]当将该联合原料策略应用到3-羟基异丁酸生产时，从合成气生成的还原当量可以通过图16A和图16B中详述的途径将从葡萄糖到3-羟基异丁酸的理论收率提高到2mol3-羟基异丁酸/mol葡萄糖。
[0136]1C6H1206+2C02+6H2 — 2C4H803+4H20
[0137]类似地，通过发酵对2-羟基异丁酸的生产可以通过该联合原料策略得以改善。通过发酵对2-羟基异丁酸的生产具有1.33mol2-羟基异丁酸/mol葡萄糖的理论收率。
[0138]3 C6H12 O6 — 4C4H803+2C02+2H20 [0139]当将该联合原料策略应用到3-羟基异丁酸生产时，从合成气生成的还原当量可以通过图16B中详述的途径将从葡萄糖到3-羟基异丁酸的理论收率提高到2mol2-羟基异丁酸/mol葡萄糖。
[0140]1C6H1206+2C02+6H2 — 2C4H803+4H20
[0141]本发明还部分地旨在通过经由该还原TCA循环增强碳固定来改善通向产物分子的路径中通过中央新陈代谢中间体乙酰基-CoA的碳通量。示例性产物分子包括甲基丙烯酸和2-羟基异丁酸酯，虽然有了本文所提供的教导，本领域的技术人员将认识到，任何将乙酰基-CoA作为基础材料的产物分子可以通过增加通过乙酰基-CoA的碳通量表现出增加的产量。本发明提供具有一种或多种外源性基因的非天然存在的微生物，所述基因编码可以在通向乙酰基-CoA的路径中催化各种酶催转换的酶。在某些实施方式中，这些酶催转换是还原三羧酸(RTCA)循环的一部分以及被用于改善基于碳水化合物的碳原料的产物收率。在其他实施方式中，这些酶催转换是Wood-Ljungdahl途径的一部分。
[0142]CO2固定还原三羧酸(RTCA)循环是利用NAD(P)H以及ATP的CO2同化的吸能合成代谢途径。一轮RTCA循环将2mol的CO2同化为Imol的乙酰基-CoA ;或将4mol的CO2同化为Imol的草酰乙酸。乙酰基-CoA的这种附加可用性改善了衍生自基于碳水化合物的碳原料的产物分子的最大理论收率。示例性碳水化合物包括但不仅限于葡萄糖、蔗糖、木糖、阿拉伯糖以及甘油。注意，本文所述的示例性产物分子的途径均通过乙酰基-CoA进行。
[0143]不存在还原TCA循环活性时，经由图16C、图16D和图16E中显示的途径从糖类生产MAA的最大收率是Imol MAA/mol消耗的葡萄糖。通过该还原TCA循环的碳固定将这些途径的收率提高到从糖类到MAA的最大理论收率。图16C和图16D是示例性通量分布，其显示了通过该还原TCA循环生成的附加碳如何将这些途径生产的甲基丙烯酸的收率从Imol/mol葡萄糖提高到1.33mol/mol葡萄糖。
[0144]C6H12O6 — 1.33C4H602+0.67C02+2H20
[0145]在一个实施方式中，本发明提供了一种非天然存在的微生物，其包含具有甲基丙烯酸酯类途径的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸酯类途径酶的以足以生产甲基丙烯酸酯类的量表达的至少一种外源性核酸；所述非天然存在的微生物进一步包含:(i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；或可选地选自异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶、朽1檬酰基-CoA合成酶或朽1檬酰基-CoA裂解酶；(ii)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶以及H2氢化酶编码选自如下酶的至少一种外源性核酸:C0脱氢酶；H2氢化酶；及其组合；其中所述甲基丙烯酸酯类途径包含醇转移酶或酯形成酶，以及脱水酶。在一个方面，该脱水酶将3-羟基异丁酸酯或2-羟基异丁酸酯转化为所述甲基丙烯酸酯类。在一个方面，该醇转移酶将3-羟基异丁酰基-CoA转化为3-羟基异丁酸酯或将2-羟基异丁酰基-CoA转化为2-羟基异丁酸酯。
[0146]在一个实施方式中，本发明提供了一种微生物，其中该微生物进一步包含甲基丙烯酸酯类途径，该途径包含编码甲基丙烯酸酯类途径酶的以足以生产甲基丙烯酸酯类的量表达的至少一种外源性核酸，所述甲基丙烯酸酯类途径包含选自如下的途径:(a) 3-羟基异丁酸酯-CoA转移酶或3-羟基异丁酸酯-CoA合成酶；醇转移酶；以及脱水酶；(b) 3-羟基异丁酸酯形成酶和脱水酶；(c)2-羟基异丁酸酯-CoA转移酶或2-羟基异丁酸酯-CoA合成酶；醇转移酶；以及脱水酶；或((1) 2-羟基异丁酸酯形成酶和脱水酶。在另一方面，包含
(i)的微生物进一步包含编码选自如下酶的外源性核酸:丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；乌头酸酶；异柠檬酸脱氢酶；琥珀酰-CoA合成酶；琥珀酰-CoA转移酶；富马酸酶；苹果酸脱氢酶；醋酸激酶；磷酸转乙酰基酶；乙酰基-CoA合成酶；NAD(P)H:铁氧还蛋白氧化还原酶；铁氧还蛋白；及其组合。在另一方面，包含(ii)的微生物进一步包含编码选自如下酶的外源性核酸:乌头酸酶；异柠檬酸脱氢酶；琥珀酰-CoA合成酶；琥珀酰-CoA转移酶；富马酸酶；苹果酸脱氢酶；及其组合。
[0147]在一个方面，该微生物包含两种外源性核酸，每种均编码甲基丙烯酸途径酶。在另一方面，该两种外源性核酸编码醇转移酶以及脱水酶；或替代性地，编码酯形成酶和脱水酶。
[0148]在一个实施方式中，本发明提供了一种非天然存在的微生物，其中包含(i)的所述微生物包含编码ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶的四种外源性核酸；其中包含(ii)的所述微生物包含编码丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶；以及H2氢化酶的五种外源性核酸；或者，其中包含(iii)的所述微生物包含编码CO脱氢酶以及H2氢化酶的两种外源性核酸。
[0149]在一个实施方式中，本发明提供了一种用于生产甲基丙烯酸酯类的方法，该方法包含在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸酯类这么长的时间内培养本文所述的非天然存在的微生物。
[0150]本文一般地参照新陈代谢反应、反应物或其产物，或者具体地参照一种或多种编码酶(所述酶与所参照的新陈代谢反应、反应物或产物有关或者催化所参照的新陈代谢反应、反应物或产物)的核酸或基因对本发明进行描述。除非本文另有明确规定，本领域的技术人员会理解对反应的参照也构成了对所述反应的反应物以及产物的参照。同样，除非本文另有明确规定，对反应物或产物的参照也是对反应的参照，以及对任何这些新陈代谢组分的参照也是参照一种或者多种的编码酶或蛋白质的基因，所述酶催化所参照的反应、反应物或产物以及所述蛋白质包含在所参照的反应、反应物或产物中。同样地，考虑到熟知的新陈代谢生物化学、酶学和基因组学领域，本文对基因或编码核酸的参照也构成对相应的被编码的酶和其催化的反应；或者与所述反应以及所述反应的反应物和产物相关的蛋白质的参照。
[0151]如本文所披露，产品甲基丙烯酸以及其他中间体是可以以不同的离子化形式(包括完全质子化的、部分质子化的和完全去质子化的形式)发生的羧酸。因此，后缀“酯”或酸形式可以互换使用，以描述游离酸形式以及任何去质子化的形式，特别是因为，已知离子化形式依赖于化合物被发现时的pH。理解的是，羧化物产品或者中间体包括羧化物产品或者途径中间体的酯形式，例如O-羧酸酯和S-羧酸酯。O-羧化物和S-羧化物可以包括较低级的烷基，即Cl到C6的支链或者直链羧化物。一些这类O-羧化物或S-羧化物包括但不仅限于甲基、乙基、正丙基、正丁基、异丙基、仲丁基和叔丁基、戊基、己基O-羧化物或S-羧化物，其中任何一种可以进一步具有不饱和，提供例如丙烯基、丁烯基、戊基和己烯基O-羧化物或S-羧化物。O-羧化物可以是生物合成途径的产物。经由生物合成途径获得的示例性的O-羧化物可以包括但不仅限于甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯以及甲基丙烯酸正丙酯。其他可通过生物合成获得的O-羧化物可以包括中链到长链基团，即衍生自脂肪族醇(例如庚醇、辛醇、壬醇、癸醇、十一醇、月桂醇、十三醇、十四醇、十五醇、十六醇、棕榈醇、十七醇、十八醇、十九醇、花生 醇、二十一醇和二十二醇)的C7-C220-羧酸酯，其中任何一种可以可选地是支链的和/或包含不饱和。O-羧酸酯还可以经由化学过程(例如游离羧酸产品的酯化作用或者O-羧化物或S-羧化物的转酯作用)获得。S-羧化物的例子是CoA S-酯类、半胱氨酰S-酯类、烷基硫酯类以及各种芳基和杂芳基硫酯类。另外地，已经提出经由甲基丙烯醛基-CoA中间体形成甲基丙烯酸酯类(W0/2007/039415以及美国专利号7，901，915)。甲基丙烯醛基-CoA可以利用W0/2007/039415以及美国专利号7，901，915中所述的甲基丙烯醛基-Cok合成酶或通过应用甲基丙烯醛基-Cok转移酶(见图2以及实施例1II)形成自甲基丙烯酸酯类。异丁烯酰基-CoA转移酶可以将CoA部分从几种CoA供体转移到甲基丙烯酸酯类，所述供体包括但不仅限于乙酰基_CoA、琥珀酰-CoA、丁酰基-CoA以及丙酰基-CoA。甲基丙烯酸酯类可以形成自图1中所描绘的途径或W0/2009/135074或U.S.公开2009/0275096中所述的途径。异丁烯酰基-CoA可以替代性地，经由W0/2009/135074中所述的2-羟基异丁酰基-CoA脱水酶、3-羟基异丁酰基-CoA脱水酶、3-羟基异丁酸酯脱水酶或异丁酰基-CoA脱氢酶产自2-羟基异丁酰基-CoA、3-羟基异丁酰基-CoA、3-羟基异丁酸酯或异丁酰基-CoA。
[0152]因此，本发明附加地提供用于生产甲基丙烯酸酯类的微生物。这类生物可以包含甲基丙烯酸酯类途径，该途径包含异丁烯酰基-CoA转移酶。这样一种微生物可以进一步包含甲基丙烯酸酯类途径，该途径包含异丁烯酰基-CoA合成酶和/或醇转移酶(见图2以及实施例1II)。可理解的是，这样一种生产甲基丙烯酸酯类的生物可以经设计以包含一种包含甲基丙烯酸或异丁烯酰基-CoA途径的微生物，该途径包括但不仅限于本文披露的(见实施例I和V-XIV以及图1-11)或冊2009/135074或仄5.公开2009/0275096中所述的甲基丙烯酸途径。因此，所披露的生产甲基丙烯酸的任何微生物可以进一步包含编码甲基丙烯酸酯类途径酶的以足以生产甲基丙烯酸酯类的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸酯类途径包含异丁烯酰基-CoA合成酶、异丁烯酰基-CoA转移酶以及醇转移酶。甲基丙烯酸到甲基丙烯酸酯类的示例性酶催和化学转化如实施例1V中所述。
[0153]因此，本发明附加地提供了一种包含甲基丙烯酸酯类途径以及进一步包含本文披露的甲基丙烯酸途径(包括图1和图3-11以及实施例1和实施例V-XIV中所述的甲基丙烯酸途径)的微生物。在特定的实施方式中，包含甲基丙烯酸酯类途径的微生物进一步包含选自如下的甲基丙烯酸途径:3_羟基异丁酸酯脱水酶；甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-羟基异丁酸酯脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；甲基丙二酰基-Cok变位酶、甲基丙二酰基-Cok表异构酶、甲基丙二酰基-Cok还原酶、3-羟基异丁酸酯脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；甲基丙二酰基-CoA变位酶、醇/醛脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA表异构酶、醇/醛脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-氨基-2-甲基丙酸转氨酶以及3-氨基-2-甲基丙酸氨裂解酶；甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA表异构酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-氨基-2-甲基丙酸转氨酶以及3-氨基-2-甲基丙酸氨裂解酶；4_羟基丁酰基-CoA变位酶，3-羟基异丁酰基-CoA合成酶或3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶，以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；天冬氨酸氨基转移酶、谷氨酸变位酶、3-甲基天冬氨酸酶以及中康酸脱羧酶；α -酮戊二酸还原酶、2-羟基谷氨酸变位酶、3-甲基苹果酸脱水酶以及中康酸脱羧酶；乙酰乙酰基-CoA硫解酶，乙酰乙酰基-CoA还原酶，3-羟基丁酰基-CoA变位酶，2-羟基异丁酰基-CoA脱水酶，以及异丁烯酰基-CoA转移酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA合成酶；乙酰乙酰基-Cok硫解酶，乙酰乙酰基-Cok还原酶，3-羟基丁酰基-Cok变位酶，
2-羟基异丁酰基-CoA脱水酶，烯酰基-CoA水合酶，以及3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或
3-羟基异丁酰基-CoA合成酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶，以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；4_羟基丁酰基-CoA脱水酶，乙烯乙酰基-CoAA-异构酶，巴豆酸酶，3-羟基丁酰基-CoA变位酶，2-羟基异丁酰基-CoA脱水酶，以及异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA转移酶的任何一种；以及4-羟基丁酰基-CoA变位酶，3-羟基异丁酰基-CoA脱水酶，以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA转移酶(见实施例V-XIV)。
[0154] 示例性能生产甲基丙烯酸的非天然存在的微生物如本文所披露。例如，提供甲基丙烯酸途径，其中琥珀酰-CoA是前体(见实施例V-V1、图3以及图4)。在一个实施方式中，一种非天然存在的微生物具有甲基丙烯酸途径，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含甲基丙二酰基-Cok变位酶、甲基丙二酰基-Cok表异构酶、甲基丙二酰基-Cok还原酶、3-羟基异丁酸酯脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶(见实施例V和VI以及图3)。在另一实施方式中，一种非天然存在的微生物具有甲基丙烯酸途径，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA表异构酶、醇/醛脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶(见实施例V)。另外地，一种非天然存在的微生物可以具有甲基丙烯酸途径，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA表异构酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-氨基-2-甲基丙酸转氨酶以及3-氨基-2-甲基丙酸氨裂解酶(见实施例VI以及图4)。
[0155]此外，提供了一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径将4-羟基丁酰基-CoA作为前体。一种这类实施方式是一种具有甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含4-羟基丁酰基-CoA变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA合成酶或3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶；以及3-羟基异丁酸酯脱水酶(见实施例VII以及图5)。替代性地，该途径可以包括4-羟基丁酰基-CoA变位酶；3-羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA转移酶。
[0156]进一步提供了一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径将α -酮戊二酸作为前体。一种这类实施方式是一种具有甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含天冬氨酸氨基转移酶、谷氨酸变位酶、3-甲基天冬氨酸酶以及中康酸脱羧酶(见实施例VIII以及图6)。在仍然另一实施方式中，一种非天然存在的微生物具有甲基丙烯酸途径，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含α -酮戊二酸还原酶、2-羟基谷氨酸变位酶、3-甲基苹果酸脱水酶以及中康酸脱羧酶(见实施例1X以及图7)。
[0157]在仍然另一实施方式中，一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径将乙酰基-CoA作为前体。例如，一种非天然存在的微生物可以具有甲基丙烯酸途径，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-CoA还原酶；3_羟基丁酰基-CoA变位酶；2_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA转移酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA合成酶(见实施例X以及图8)。在另一实施方式中，一种非天然存在的微生物具有甲基丙烯酸途径，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含乙酰乙酰基-Cok硫解酶；乙酰乙酰基-Cok还原酶；3_羟基丁酰基-Cok变位酶；2_羟基异丁酰基-Cok脱水酶；烯酰基-CoA水合酶；以及3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA合成酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶；以及3-羟基异丁酸酯脱水酶(见实施例X)。
[0158]在进一步的实施方式中，非天然存在的微生物可以包含将4-羟基丁酰基-CoA作为前体的甲基丙烯酸。例如，一种非天然存在的微生物具有甲基丙烯酸途径，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含4-羟基丁酰基-CoA脱水酶；乙烯乙酰基-CoA Δ -异构酶；巴豆酸酶；3_羟基丁酰基-CoA变位酶；2_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-Cok合成酶或异丁烯酰基-Cok转移酶(见实施例XIV以及图8)。
[0159]在仍然另一实施方式中，一种非天然存在的微生物具有甲基丙烯酸途径，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-CoA还原酶；巴豆酸酶；丁酰基-CoA脱氢酶；异丁酰基-CoA变位酶；异丁酰基-CoA脱氢酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-Cok水解酶或异丁烯酰基-Cok转移酶(见实施例XI以及图9)。
[0160]进一步提供了一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径将丙酮酸作为前体。例如，一种非天然存在的微生物可以具有甲基丙烯酸途径，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含乳酸脱氢酶、乳酸-CoA转移酶、乳酰基-CoA脱水酶、酰基-CoA脱氢酶、丙酰基-CoA羧化酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-羟基异丁酸酯脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶(见实施例XII以及图10)。
[0161]还提供了一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物，该途径将2-酮异戊酸作为前体。例如，一种非天然存在的微生物可以具有甲基丙烯酸途径，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含缬氨酸氨基转移酶；2_酮异戊酸脱氢酶；异丁酰基-CoA脱氢酶；以及异丁烯酰基-Cok合成酶或异丁烯酰基-Cok水解酶或异丁烯酰基-Cok转移酶(见实施例XIII以及图11)。这类甲基丙烯酸途径可以进一步包含将缬氨酸转化为2-酮异戊酸(图11)的缬氨酸氨基转移酶。另外，这类甲基丙烯酸途径可以进一步包含将丙酮酸转化为2-酮异戊酸(图11)的酶，如乙酰乳酸合酶、乙酰羟酸还原异构酶以及二羟酸脱水酶(见实施例XIII)。
[0162]本发明还提供了一种具有甲基丙烯酸酯类途径的非天然存在的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸酯类途径酶的以足以生产甲基丙烯酸酯类的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸酯类途径包含异丁烯酰基-CoA转移酶和醇转移酶。在进一步的实施方式中，这类甲基丙烯酸酯类途径可以进一步包含异丁烯酰基-CoA合成酶。在特定的实施方式中，该具有甲基丙烯酸酯类途径的微生物可以包含编码异丁烯酰基-CoA以及醇转移酶的两种外源性核酸。在仍然进一步的实施方式中，本发明提供了一种具有甲基丙烯酸酯类途径的微生物，其可以包含编码异丁烯酰基-CoA合成酶、异丁烯酰基-CoA转移酶以及醇转移酶的三种外源性核酸。
[0163]本发明所述的非天然存在的微生物可以通过引入可表达的核酸来生产，该核酸编码一种或者多种的参与一种或者多种的甲基丙烯酸生物合成途径的酶。根据选定用于生物合成的宿主微生物，可以表达用于部分或者全部的具体甲基丙烯酸生物合成途径的核酸。例如，如果在所需的生物合成途径中，选定的宿主存在一种或者多种的酶的缺陷，则将用于缺陷的一种或者多种的酶或蛋白质的可表达的核酸引入该宿主用于后续的外源性表达。替代性地，如果该选定的宿主显示出一些途径酶的内源性表达，但是在其他方面存在缺陷，则需要用于缺陷的一种或者多种的酶或蛋白质的编码核酸，以实现甲基丙烯酸的生物合成。因此，可以通过引入外源酶或者蛋白质活性以获得所需的生物合成途径来生产本发明的非天然存在的微生物或者可以通过引入与一种或者多种内源性的酶或者蛋白质一起生产所需的产品(如甲基丙烯酸)的一种或者多种外源酶或者蛋白质活性以获得所需的生物合成途径。
[0164] 宿主微生物可以选自以及所述非天然存在的微生物可以生成于，例如细菌、酵母、真菌或各种其他适用于发酵过程的微生物的任意一种。示例性的细菌包括选自如下的物种:大肠杆菌、产酸克雷伯氏菌、产琥珀酸厌氧螺菌、琥珀酸放线杆菌、产琥珀酸曼氏杆菌、菜豆根瘤菌、枯草芽孢杆菌、谷氨酸棒杆菌、氧化葡糖杆菌、运动发酵单胞菌、乳酸乳球菌、植物乳杆菌、天蓝色链霉菌、丙酮丁醇梭菌、萤光假单胞菌以及恶臭假单胞菌。示例性的酵母或真菌包括选自如下的物种:酿酒酵母、人体酵母菌探针、乳酸克鲁维酵母、马克斯克鲁维酵母、土曲霉、黑曲霉、毕赤酵母、无根根霉菌、稻根霉菌(Rhizobus oryzae)、解脂耶氏酵母等等。大肠杆菌是一种特别有用的宿主生物(organisms)，因为其是一种适于基因工程的具有良好表征的微生物。其他特别有用的宿主生物包括酵母，如酿酒酵母。理解的是，任何适合的宿主微生物可用以引入新陈代谢和/或基因修饰，以生产所需的产品。
[0165]依据选定的宿主微生物的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的生物合成途径构成，本发明所述的非天然存在的微生物将包括至少一种外源性表达的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的编码核酸乃至用于一种或者多种甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生物合成途径的所有的编码核酸。例如，通过外源性表达相应的编码核酸在存在途径酶或者蛋白质缺陷的宿主内建立甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生物合成。在存在甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的所有的酶或者蛋白质缺陷的宿主内，可以包含该途径中所有的酶或者蛋白质的外源性表达，虽然理解的是，即使该宿主包含至少一种途径酶或者蛋白质，也可以表达该途径的所有的酶或者蛋白质。例如，可以包含用于生产甲基丙烯酸的途径中所有的酶或者蛋白质的外源性表达，例如柠苹酸合酶(A)、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)(B)以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(1)A/B/C);柠苹酸合酶(A)、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)(B)、柠康酸异构酶(G)以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(2)A/B/G/H);柠苹酸合酶
(A)、柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F)、柠康酸异构酶(G)以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(3)A/F/G/C);柠苹酸合酶(A)、柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F)以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(4 )A/F/H)；柠苹酰-Cok裂 解酶(D )，柠苹酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶(E )，柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)(B)，以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(5)D/E/B/C);柠苹酰-CoA裂解酶(D)，柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E)，柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)(B)，柠康酸异构酶(G)，以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(6)D/E/B/G/H);柠苹酰-CoA裂解酶(D)，柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E)，柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F)，以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(7) D/E/F/H);柠苹酰-CoA裂解酶(D)，柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E)，柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F)，柠康酸异构酶(G)，以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(8)D/E/F/G/C);乌头酸脱羧酶(I)、衣康酸异构酶(J)以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(9) I/J/C);乌头酸脱羧酶(I)、衣康酸异构酶(J)、柠康酸异构酶(G)以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(10) I/J/G/H);乌头酸脱羧酶(I)，衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(L)，柠苹酰-CoA脱水酶(K)，柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E)，柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)(B)，以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(11)I/L/K/E/B/C);乌头酸脱羧酶(I)，衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(L),朽1苹酰-CoA脱水酶(K),朽1苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E)，柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)(B)，柠康酸异构酶(G)，以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(12) I/L/K/E/B/G/H);乌头酸脱羧酶(I)，衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(L)，柠苹酰-CoA脱水酶(K)，柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E)，柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F)，以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(13)I/L/K/E/F/H);以及乌头酸脱羧酶(I)，衣康酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶(L)，柠苹酰-Cok脱水酶(K)，柠苹酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶(E)，柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F)，柠康酸异构酶(G)，以及柠康酸脱羧酶(C)(图 1，途径(14) I/L/K/E/F/G/C)。
[0166]考虑到本文提供的教诲和指导，本领域的技术人员会理解以可表达的形式引入的编码核酸的数量将，至少，等于所选定的宿主微生物的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径缺陷量。因此，本发明的非天然存在的微生物可以根据该途径，具有一种、两种、三种、四种、五种、六种或七种，包括乃至所有的编码本文披露的构成甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生物合成途径的酶的核酸。在一些实施方式中，该非天然存在的微生物还可以包括其他促进或者优化甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的生物合成或者赋予该宿主微生物其他有用的功能的基因修饰。一种这类的其他功能性可以包括例如，对一种或者多种甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径前体(如乙酰基-CoA、丙酮酸或乌头酸)的合成的增强。
[0167]一般地，宿主微生物应该这样选择以便其生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的前体，作为自然生产的分子或作为工程产物，其提供所需前体的从新生产或由该宿主微生物自然生产的前体的增加生产。例如，乌头酸、乙酰基-CoA以及丙酮酸自然产生于宿主生物，如大肠杆菌。宿主生物可以设计以增加前体的生产，正如本文所披露。此外，已被设计以生产所需前体的微生物可用作宿主生物并进一步被设计，以表达甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的酶或蛋白质。
[0168]在一些实施方式中，本发明的非天然存在的微生物生成自包含合成甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的酶催能力的宿主。在该特定的实施方式中，其可用以增加甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径产物的合成或堆积以，例如促使发生甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径反应，以便生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯。合成或堆积的增加可以通过，例如编码本文所述的一种或多种甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径酶或蛋白质的核酸的过表达来完成。该一种或多种甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径酶和/或蛋白质的过表达的发生可以，例如通过一种或多种内源性基因的外源性表达或通过一种或多种异源性基因的外源性表达。因此，根据该途径的酶的数目，通过一种、两种、三种、四种、五种、六种或七种，即乃至所有的编码甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生物合成途径酶或蛋白质的核酸的过表达，天然存在的生物可以很容易地生成为本发明的，例如生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的非天然存在的微生物。此外，非天然存在的生物可以通过造成甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生物合成途径中酶活性的增加的内源性基因的诱变来生成。
[0169]在特别有用的实施方式中，采用编码核酸的外源性表达。外源性表达赋予对宿主定制表达 和/或调节元件的能力以及获得使用人控制的所需的表达水平的应用。然而，其他实施方式中还可以利用内源性表达，例如当连接至诱导型启动子或其他调节元件时，通过去除负调节效应子或基因启动子的诱导利用内源性表达。因此，具有天然存在的诱导型启动子的内源性基因可以通过提供适当的诱导剂上调；或者内源性基因的调节区域可设计以纳入诱导调节元件，从而允许在需要的时候调节内源性基因的上调表达。同样，可以包括诱导型启动子，作为针对引入非天然存在的微生物的外源性基因的调节元件。
[0170]理解的是，在本发明的方法中，任何所述一种或者多种外源性核酸可被引入微生物以生产本发明的一种非天然存在的微生物。该核酸可被引入以便赋予该微生物，例如甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生物合成途径。替代性地，可以引入编码核酸，以生产具有生物合成能力的中间体微生物，以催化所需的反应的一些，从而赋予甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生物合成能力。例如，具有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生物合成途径的非天然存在的微生物可以包括至少两种编码所需的酶或者蛋白质的外源性核酸，所述酶的例子有如下组合:柠苹酸合酶和柠康酸脱羧酶；柠康酸异构酶和中康酸脱羧酶；或衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶和衣康酸异构酶等等。因此，应理解的是，生物合成途径的两种或两种以上酶的任意组合可以包含在本发明的非天然存在的微生物中。同样，应理解的是，按照要求，生物合成途径的三种(例如，柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)、柠康酸异构酶以及中康酸脱羧酶；柠苹酰-CoA裂解酶，柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶以及柠苹酸脱水酶；或乌头酸脱羧酶、衣康酸异构酶以及中康酸脱羧酶等等)或三种以上酶的任意组合可以包含在本发明的非天然存在的微生物中，只要所需的生物合成途径的酶或蛋白质的组合导致相应的所需产品的产生。同样，按照要求，本文披露的生物合成途径的四种(例如，柠苹酰-Cok裂解酶，柠苹酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶，柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)以及中康酸脱羧酶；乌头酸脱羧酶、衣康酸异构酶、柠康酸异构酶以及中康酸脱羧酶等等)或四种以上酶的任意组合可以包含在本发明的非天然存在的微生物中，包括途径中的乃至所有酶，只要所需的生物合成途径的酶的组合导致相应的所需产品的产生。
[0171]除本文所述的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的生物合成之外，本发明所述的非天然存在的微生物和方法也可以通过彼此间以及与本领域熟知的其他微生物和方法进行各种组合来应用，以通过其他路径实现产品生物合成。例如，除了使用甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生产者之外，一种生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的替代性方法是通过加入另一种能够将甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径中间体转化为甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的微生物。一种这样的程序包括例如，生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径中间体的微生物的发酵。该甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径中间体然后可以用作将甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径中间体转化为甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的第二微生物的底物。该甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径中间体可以被直接加入该第二生物的另一培养物或该甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径中间体生产者的原始培养物可以通过，例如细胞分离耗尽这些微生物，然后可以利用将第二生物随后加入发酵肉汤，以生产最终产品而无中间体纯化的步骤。
[0172]在其他实施方式中，本发明的所述非天然存在的微生物和方法可以在各种各样的子途径中进行组合，以实现，例如甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的生物合成。在这些实施方式中，可以将用于本发明的所需产品的生物合成途径分离到不同的微生物中，以及可以共同培养该不同的微生物，以生产最终产品。在这种生物合成方案中，一种微生物的产物是用于第二微生物的底物，直至合成最终产品。例如，可以通过构建如下微生物完成甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的生物合成:该微生物包含用于将一个途径中间体转化为另一途径中间体或产物的生物合成途径。替代性地，也可以通过利用相同器皿内的两种生物的共同培养或共同发酵从微生物生物合成生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯，其中第一种微生物生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体以及第二种微生物将该中间体转化为甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯。
[0173]考虑到本文提供的教诲和指导，本领域的技术人员会理解存在针对本发明的所述非天然存在的微生物和方法，连同其他微生物、具有子途径的其他非天然存在的微生物的共同培养物以及本领域熟知的生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的其他化学和/或生化程序的组合的各种各样的组合和排列。
[0174] 用于甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径酶或蛋白质的编码核酸的源可以包括，例如其中被编码的基因产物能够催化参照反应的任何物种。这类物种既包括原核生物又包括真核生物，包括但不仅限于细菌(包括古生细菌和真细菌)以及真核生物(包括酵母)、植物、昆虫、动物以及哺乳动物(包括人)。针对这种源的示例性物种包括，例如埃希氏杆菌属(包括大肠杆菌、弗格森埃希氏菌)；詹氏甲烷球菌(Methanocaldococcus jannaschii);问号钩体(Leptospira interrrogans);硫还原地杆菌；橙色绿屈挠菌；玫瑰弯菌属RS-1 ;绿曲挠丝状菌；氧化木糖无色杆菌(Achrombacterxylosoxidans);梭菌属(Clostridia)(其包括克鲁佛氏梭菌、共生梭菌、丙酮丁醇梭菌、糖乙酸多丁醇梭菌、扬氏梭菌、阴道滴虫G3、布氏锥虫、发酵氨基酸球菌);梭杆菌属(其包括具核梭杆菌、死亡梭杆菌、谷氨酸棒杆菌)；褐鼠；智人；酵母属(其包括酿酒酵母)；曲霉属(其包括土曲霉、米曲霉、黑曲霉)；玉米赤霉；树干毕赤酵母；分支杆菌属(其包括包皮垢分支杆菌、鸟型分枝杆菌(其包括亚种类结核));稀有海洋放线菌(Salinispora arenicola);假单胞菌属(其包括假单胞菌属CF600、恶臭假单胞菌、荧光假单胞菌、绿脓假单胞菌)；罗尔斯通氏菌属(其包括富养罗尔斯通氏菌、富养罗尔斯通氏菌JMP134、富养罗尔斯通氏菌H16、皮氏罗尔斯通氏菌)；植物乳杆菌；产酸克雷伯氏菌；芽孢杆菌属(其包括枯草芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌)；戍糖片球菌(Pediococcus pentosaceus);绿屈挠菌属(其包括橙色绿屈挠菌、绿曲挠丝状菌)；类球红细菌；詹氏甲烷球菌；问号钩体；麦芽糖假丝酵母；沙门氏菌属(其包括鼠伤寒沙门氏菌)；希瓦氏菌属(其包括奥奈达湖希瓦氏菌、希瓦氏菌属MR-4);粪产碱杆菌；嗜热脂肪地芽孢杆菌；粘质沙雷氏菌；霍乱弧菌；巴克氏真杆菌；多毛拟杆菌；闪烁古生球菌；闪烁古生球菌；死海盐盒菌；耐超高温热棒菌菌株頂2 ;根瘤菌属(其包括豌豆根瘤菌)以及本文披露的或可作为相应基因的源生物的其他示例性物种。然而，今天超过550个物种的完整的基因组序列是可得的(这些物种中超过一半的基因组序列在公用数据库，如NCBI中可以得到)，包括395种微生物基因组和各种酵母、真菌、植物以及哺乳动物基因组，在这种情况下，编码针对近缘或远缘物种中一种或多种基因的必要的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生物合成活性的基因的识别(包括，例如已知基因的同系、直系同源、旁系同源和非直系同源基因置换)以及生物之间基因改变的互换在本领域是常规且熟知的。因此，实现本文所述的关于特定生物(如大肠杆菌)的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的生物合成的新陈代谢改变可以以同样的方式很容易地应用到其他微生物，包括原核和真核生物。考虑到本文提供的教诲和指导，本领域的技术人员会得知在一种生物中示范的新陈代谢改变可以同样地应用于其他生物。
[0175]在某些情况下，例如当替代性的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生物合成途径存在于不相关的物种中时，可以通过，例如来自催化相似的、但非完全相同的新陈代谢反应以取代参照反应的不相关物种的一种旁系同源物或多种旁系同源物的外源性表达，赋予该宿主物种甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的生物合成。由于不同的生物之间存在新陈代谢网络间的某些差异，本领域的技术人员会理解不同生物之间的实际的基因用法可以存在差异。然而，考虑到本文提供的教诲和指导，本领域的技术人员还会理解，本发明的教诲和方法可以通过利用对本文那些示例性的微生物所作的同源新陈代谢改变应用于所有的微生物，以在有关的物种中构建会合成甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的微生物。
[0176]可以例如，通过本领域熟知的重组和检测方法操作用于构建和测试生产非天然存在的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的宿主的表达水平的方法。这类方法的描述可以见于，例如Sambrook等人，MolecularCloning:A Laboratory Manual,第 3 版，Cold Spring Harbor Laboratory, NewYork(2001) ;Ausubel 等人，Current Protocols in Molecular Biology, John Wiley andSons, Baltimore, MD(1999)。
[0177]可以利用本领域熟知的技术(包括但不限于接合、电穿孔术、化学转化法、转导、转染和超声转化)将用于生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的途径中涉及的外源性核酸序列稳定或瞬时地引入宿主细胞。对于大肠杆菌或其他原核细胞中的外源性表达，真核细胞核酸的基因或cDNA中的一些核酸序列可以编码导向信号(targeting signal),如N-末端线粒体导向信号或其他导向信号,如果需要,其可以在转换进入原核宿主细胞之前被去除。例如，线粒体前导序列的去除导致了大肠杆菌中表达的上调(Hoffmeister 等人，J.Biol.Chem.280:4329-4338 (2005))。对于酵母或其他真核细胞中的外源性表达，可以在胞质溶胶中表达基因，而不添加前导序列；或者可以通过添加适于宿主细胞的合适的导向序列(如线粒体导向或分泌信号)将基因导向线粒体或其他细胞器或者导向分泌。因此，理解的是，对核酸序列的适当的以去除或包含导向序列的修改可被纳入外源性核酸序列中，以提供所需的特性。此外，以本领域熟知的技术可以使基因经受密码子优化，以实现蛋白质的优化表达。
[0178]表达载体可以被构建以包括如本文所示范的可操作地连接于宿主生物中功能性的表达调控序列的一种或多种甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生物合成途径编码核酸。适用于本发明的宿主微生物的表达载体包括，例如质粒、噬菌体载体、病毒载体、附加体和人工染色体(包括可操作地用以稳定地整合到宿主染色体的载体和选择序列或标记)。此外，该表达载体可以包括一种或多种选择标记基因和适当的表达调控序列。还可以包括，例如提供抗生素或毒素抗性、补充营养缺陷或者提供培养基中没有的关键营养物的选择标记基因。表达调控序列可以包括组成型和诱导型启动子、转录增强子、转录终止子以及本领域熟知的诸如此类的表达调控序列。当两个或两个以上外源性编码核酸被共同表达时，两个核酸都可以被插入，例如单一表达载体或独立表达载体。对于单一载体表达，编码核酸可被可操作地连接到一个共同的表达调控序列或连接到不同的表达调控序列，如一个诱导型启动子和一个组成型启动子。可以利用本领域熟知的方法确定新陈代谢或合成途径中涉及的外源性核酸序列的转化。这类方法包括，例如核酸分析法，如Northern印迹法或mRNA聚合酶链反应(PCR)扩增；或基因产物表达免疫印迹法；或其他合适的测试被引入的核酸序列或其相应的基因产物的表达的分析方法。本领域的技术人员理解的是，以足以生产所需产品的量来表达外源性核酸以及进一步理解的是，可以利用本领域熟知的和本文披露的方法优化表达水平以获得足够的表达。
[0179]此外，本发明提供利用本发明包含甲基丙烯酸途径的微生物生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的方法。在特定的实施方式中，本发明提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸这么长的时间内，培养一种非天然存在的微生物来生产甲基丙烯酸的方法，所述微生物包含具有甲基丙烯酸途径的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含柠苹酸合酶(A)、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)(B)以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(1)A/B/C)。如本文所披露，该微生物可以包含编码甲基丙烯酸途径酶，包括途径中乃至所有酶的一种以上外源性核酸，例如，编码柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)以及柠康酸脱羧酶的三种外源性核酸。
[0180]在特定的实施方式 中，本发明生产MAA的非天然存在的微生物可以具有至少一种外源性核酸，所述外源性核酸是异源性核酸。在另一实施方式中，该生产MAA的非天然存在的微生物可以在基本上厌氧的培养基中。
[0181]在另一实施方式中，本发明提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸这么长的时间内，培养一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物来生产甲基丙烯酸的方法，所述途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含柠苹酸合酶(A)、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)(B)、柠康酸异构酶(G)以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(2)A/B/G/H)。在仍然另一实施方式中，本发明提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸这么长的时间内培养一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物来生产甲基丙烯酸的方法，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含柠苹酸合酶(A)、柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F)、柠康酸异构酶(G)以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(3)A/F/G/C)。
[0182]在进一步的实施方式中，本发明提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸这么长的时间内，培养一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物来生产甲基丙烯酸的方法，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含柠苹酸合酶(A)、柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F)以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(4)A/F/H)。在又一进一步的实施方式中，本发明提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸这么长的时间内，培养一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物来生产甲基丙烯酸的方法，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含柠苹酰-CqA裂解酶(D);柠苹酰-CqA转移酶、合成酶或水解酶(E);柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)(B);以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(5)D/E/B/C)。
[0183]在附加实施方式中，本发明提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸这么长的时间内，培养一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物来生产甲基丙烯酸的方法，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含柠苹酰-CoA裂解酶(D);柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E);柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)(B);柠康酸异构酶(G)以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(6)D/E/B/G/H)。在仍然另一实施方式中，本发明提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸这么长的时间内，培养一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物来生产甲基丙烯酸的方法，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含柠苹酰-CoA裂解酶(D);柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E);柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F)；以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(7)D/E/F/H)。
[0184]在另一实施方式中，本发明提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸这么长的时间内，培养一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物来生产甲基丙烯酸的方法，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含柠苹酰-CoA裂解酶(D);柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E);柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F);柠康酸异构酶(G);以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(8)D/E/F/G/C)。另外地，本发明提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸这么长的时间内，培养一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物来生产甲基丙烯酸的方法，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含乌头酸脱羧酶(I )、衣康酸异构酶(J)以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(9) I/J/C)。
[0185]在又一进一步的实施方式中，本发明提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸这么长的时间内，培养一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物来生产甲基丙烯酸的方法，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含乌头酸脱羧酶(I)、衣康酸异构酶(J)、柠康酸异构酶(G)以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(10)I/J/G/H)。在附加实施方式中，本发明提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸这么长的时间内，培养一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物来生产甲基丙烯酸的方法，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含乌头酸脱羧酶(I);衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(L);柠苹酰-Cok脱水酶(K);柠苹酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶(E);柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)
(B);以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(11) I/L/K/E/B/C)。
[0186] 本发明还提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸这么长的时间内，培养一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物来生产甲基丙烯酸的方法，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含乌头酸脱羧酶(I);衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(L);朽1苹酰-CoA脱水酶(K);朽1苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E);朽1苹酸脱水酶(朽1康酸形成)(B);柠康酸异构酶(G);以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(12)I/L/K/E/B/G/H)。在仍然进一步的实施方式中，本发明提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸这么长的时间内培养一种非天然存在的微生物来生产甲基丙烯酸的方法，所述微生物包含具有甲基丙烯酸途径的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含乌头酸脱羧酶(I);衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(L);梓苹酰-CoA脱水酶(K);梓苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E);柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F);以及中康酸脱羧酶(H)(图1，途径(13)1/L/K/E/F/H)。在附加实施方式中，本发明提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸这么长的时间内，培养一种包含甲基丙烯酸途径的非天然存在的微生物来生产甲基丙烯酸的方法，该途径包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，该甲基丙烯酸途径包含乌头酸脱羧酶(I);衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(U;柠苹酰-CoA脱水酶(K);柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶(E);柠苹酸脱水酶(中康酸形成)(F);柠康酸异构酶(G);以及柠康酸脱羧酶(C)(图1，途径(14)I/L/K/E/F/G/C)。
[0187]本发明还提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产3-羟基异丁酸酯这么长的时间内，培养一种非天然存在的微生物，以及如图28和图30、步骤6和步骤7中所示例的，将所述3-羟基异丁酸酯化学脱水以生产甲基丙烯酸酯类的方式，生产甲基丙烯酸酯类的方法，其中该非天然存在的微生物包括编码醇转移酶或3-羟基异丁酸酯形成酶的外源性核酸，所述酶以足以生产3-羟基异丁酸酯的量表达。在另一实施方式中，本发明提供了一种用于通过在各种条件下以及在足以生产甲基-3-羟基异丁酸酯这么长的时间内，培养一种非天然存在的微生物，以及如图30、步骤6和步骤7中所示例的，将所述甲基-3-羟基异丁酸酯化学脱水以生产甲基丙烯酸甲酯的方式，生产甲基丙烯酸甲酯的方法，其中该非天然存在的微生物包括编码醇转移酶或酯形成酶的外源性核酸，所述酶以足以生产甲基-3-羟基异丁酸酯的量表达。在本发明的某些方面，本文披露的用于生产甲基丙烯酸酯类或甲基丙烯酸甲酯的方法进一步包括该非天然存在的微生物包括编码图ι-1i和图28-30所述的3-羟基异丁酰基-Cok途径酶或其任何组合的至少一种外源性核酸。在某些方面，本发明规定，该外源性核酸是异源性核酸。在某些方面，本发明规定，该非天然存在的微生物在基本上厌氧的培养基中。
[0188]在一个实施方式中，本发明提供了一种非天然存在的微生物，其包含具有甲基丙烯酸甲酯途径的微生物，该途径包含编码甲基丙烯酸甲酯途径酶的以足以生产甲基丙烯酸甲酯的量表达的至少一种外源性核酸；所述非天然存在的微生物进一步包含:(i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；或可选地选自异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶、朽1檬酰基-CoA合成酶或朽1檬酰基-CoA裂解酶；(ii)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶以及H2氢化酶编码选自如下酶的至少一种外源性核酸:C0脱氢酶；H2氢化酶；及其组合；其中所述甲基丙烯酸甲酯途径包含醇转移酶或酯形成酶，以及脱水酶。在另一方面，本发明提供了一种方法，其中该微生物包含(i )进一步包含编码选自如下酶的外源性核酸:丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；乌头酸酶；异柠檬酸脱氢酶；琥珀酰-Cok合成酶；琥珀酰-Cok转移酶；富马酸酶；苹果酸脱氢酶；醋酸激酶；磷酸转乙酰基酶；乙酰基-CoA合成酶；NAD(P)H:铁氧还蛋白氧化还原酶；铁氧还蛋白；及其组合。在另一方面，本发明提供了一种方法，其中包含(ii)的微生物进一步包含编码选自如下酶的外源性核酸:乌头酸酶；异柠檬酸脱氢酶；琥珀酰-CoA合成酶；琥珀酰-CoA转移酶；富马酸酶；苹果酸脱氢酶；及其组合。在一个方面，该微生物包含两种外源性核酸，每种均编码甲基丙烯酸甲酯酶。在进一步的方面，该两种外源性核酸编码醇转移酶和脱水酶；或替代性地，编码酯形成酶和脱水酶。
[0189]在一个实施方式中，本发明提供了一种方法，其中包含(i)的微生物包含编码ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶的四种外源性核酸；其中包含(ii)的所述微生物包含编码丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶以及H2氢化酶的五种外源性核酸；或者，其中包含(iii)的所述微生物包含编码CO脱氢酶以及H2氢化酶的两种外源性核酸。
[0190]在一个实施方式中，本发明提供了一种用于生产甲基丙烯酸甲酯的方法，该方法包含在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸甲酯这么长的时间内培养本文披露的非天然存在的微生物。
[0191]在另一实施方式中，本发明提供了一种用于生产甲基丙烯酸酯类的方法，该方法包含在各种条件下以及在足以生产3-羟基异丁酸酯这么长的时间内培养一种非天然存在的微生物，以及将所述3-羟基异丁酸酯化学脱水以生产甲基丙烯酸酯类，其中所述非天然存在的微生物包含编码醇转移酶或3-羟基异丁酸酯形成酶的以足以生产3-羟基异丁酸酯的量表达的外源性核酸，以及所述非天然存在的微生物进一步包含:(i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；或可选地选自异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶、朽1檬酰基-CoA合成酶或朽1檬酰基-CoA裂解酶；
(ii) 包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶以及H2氢化酶编码选自如下酶的至少一种外源性核酸:C0脱氢酶；H2氢化酶；及其组合。在另一实施方式中，本发明提供了一种用于生产甲基丙烯酸酯类的方法，该方法包含在各种条件下以及在足以生产2-羟基异丁酸酯这么长的时间内培养一种非天然存在的微生物，以及将所述2-羟基异丁酸酯化学脱水以生产甲基丙烯酸酯类，其中所述非天然存在的微生物包含编码醇转移酶或2-羟基异丁酸酯形成酶的以足以生产2-羟基异丁酸酯的量表达的外源性核酸，以及所述非天然存在的微生物进一步包含:(i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；或可选地选自异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶、柠檬酰基-CoA合成酶或柠檬酰基-CoA裂解酶；(ii)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶以及H2氢化酶编码选自如下酶的至少一种外源性核酸:C0脱氢酶；H2氢化酶；及其组合。在仍然另一实施方式中，本发明提供了一种用于生产甲基丙烯酸甲酯的方法，该方法包含在各种条件下以及在足以生产甲基-3-羟基异丁酸酯这么长的时间内培养一种非天然存在的微生物，以及将所述甲基-3-羟基异丁酸酯化学脱水以生产甲基丙烯酸甲酯，其中所述非天然存在的微生物包含编码醇转移酶或酯形成酶的以足以生产甲基-3-羟基异丁酸酯的量表达的外源性核酸，以及所述非天然存在的微生物进一步包含:(i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；或可选地选自异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶、柠檬酰基-CoA合成酶或柠檬酰基-CoA裂解酶；(ii)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶以及H2氢化酶j(iii)编码选自如下酶的至少一种外源性核酸:C0脱氢酶；H2氢化酶；及其组合。在上述方法的一个方面，至少一种所述外源性核酸是异源性核酸。在上述方法的另一方面，该非天然存在的微生物在基本上厌氧的培养基中。
[0192]在一个实施方式中，本发明提供如上以及此处所披露的一种方法，其中包含(i )的所述微生物进一步包含编码选自如下酶的外源性核酸:丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；乌头酸酶；异柠檬酸脱氢酶；琥珀酰-CoA合成酶；琥珀酰-CoA转移酶；富马酸酶；苹果酸脱氢酶；醋酸激酶；磷酸转乙酰基酶；乙酰基-CoA合成酶；NAD(P)H:铁氧还蛋白氧化还原酶；铁氧还蛋白；及其组合。在另一实施方式中，本发明提供如上以及此处所披露的一种方法，其中包含(ii)的所述微生物进一步包含编码选自如下酶的外源性核酸:乌头酸酶；异柠檬酸脱氢酶；琥珀酰-CoA合成 酶；琥珀酰-CoA转移酶；富马酸酶；苹果酸脱氢酶；及其组合。在仍然另一实施方式中，本发明提供如上以及此处所披露的一种方法，其中包含(i )的所述微生物包含编码ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶的四种外源性核酸；其中包含(ii)的所述微生物包含编码丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶以及H2氢化酶的五种外源性核酸；或者，其中包含(iii)的所述微生物包含编码CO脱氢酶以及H2氢化酶的两种外源性核酸。
[0193]在一个方面，本文披露的方法可以进一步包含一种包含3-羟基异丁酸酯途径的微生物，该途径包含编码3-羟基异丁酸酯途径酶的以足以生产3-羟基异丁酸酯的量表达的至少一种外源性核酸，所述3-羟基异丁酸酯途径包含选自如下的途径:(a) 3-羟基异丁酸酯-CoA转移酶或3-羟基异丁酸酯-CoA合成酶；以及醇转移酶；或6)3-羟基异丁酸酯形成酶。在一个方面，本文披露的方法可以进一步包含一种包含2-羟基异丁酸酯途径的微生物，该途径包含编码2-羟基异丁酸酯途径酶的以足以生产2-羟基异丁酸酯的量表达的至少一种外源性核酸，所述2-羟基异丁酸酯途径包含选自如下的途径:(a) 2-羟基异丁酸酯-CoA转移酶或2-羟基异丁酸酯-CoA合成酶；以及醇转移酶；或(b)2-羟基异丁酸酯形成酶。[0194]可以利用熟知的方法进行适用于甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生产测试的纯化和/或测定。可以为每个设计的待测菌株培育合适的复制品，如一式三份的培养物。例如，可以监测所设计的生产宿主中产物和副产物的形成。可以通过各种方法，例如HPLC (高效液相色谱)、GC-MS (气相色谱-质谱法)和LC-MS(液相色谱-质谱法)或者其他利用本领域熟知的例行程序的合适的分析方法来分析最终产品和中间体以及其他有机化合物。也可以利用培养上清液对产物在发酵肉汤中的释放进行测试。可以利用，例如针对葡萄糖和醇的折光率检测器以及针对有机酸的紫外检测器(Lin等人，Biotechnol.Bioeng.90:775-779 (2005))通过HPLC或本领域熟知的其他合适的测定和检测方法对副产物和残余葡萄糖进行定量。也可以利用本领域熟知的方法对来自外源性DNA序列的个别酶或蛋白质活性进行测定。例如，可以通过监测经纯化的蛋白质、乙酰基-CoA、丙酮酸和缓冲液的溶液中随着时间推移的CoA生产情况来测定柠苹酸合酶活性(Atsumi 等人，AEM74:7802-7808 (2008)) ο
[0195]可以利用本领域熟知的各种方法从培养物中的其他组分中分离甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯。这类分离方法包括，例如萃取程序以及包括如下的方法:连续液液萃取法、全蒸发法、膜滤法、膜分离法、反渗透法、电渗析法、蒸馏法、结晶法、离心法、萃取过滤法、离子交换色谱法、体积排阻色谱法、吸附色谱法以及超滤法。所有上述方法为本领域所熟知。
[0196]本文所述的任何所述非天然存在的微生物可以培养以生产和/或分泌本发明的生物合成产物。例如，甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生产者可以培养用于甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的生物合成生产。
[0197]为了生产甲基丙烯酸 、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯，在具有碳源和其他必需营养物的培养基中培养重组菌株。在发酵罐中保持厌氧条件以降低整个过程的消耗，这在有时候是需要的并且肯定是非常可取的。这种条件的获取可以通过，例如首先用氮喷射该培养基，然后用垫片和钳口盖密封烧瓶。对于培育不遵循厌氧的菌株，可以通过在该垫片上打一小孔进行有限通气来采用微氧或者基本上厌氧的条件。示例性的厌氧条件已有先前描述并为本领域所熟知。示例性的有氧和厌氧条件的描述见于，例如2007年8月10日提交的美国公布号2009/0047719。如本文所披露，可以以分批、补料分批或连续的方式进行发酵。
[0198]如果需要，可以将培养基的pH值保持为所需的pH值，特别是按需要通过添加碱(如NaOH或其他碱)或酸保持为中性pH值(如约7的pH值)，以将培养基保持在所需的pH值。可以通过利用分光光度计(600nm)测量光密度确定生长速率，以及可以通过监测随着时间的推移碳源的消耗确定葡萄糖摄取速率。
[0199]生长培养基可以包括，例如任何可以向该非天然存在的微生物提供碳源的碳水化合物源。这类源包括，例如糖类(如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖、果糖、蔗糖和淀粉)。其他碳水化合物源包括，例如可再生的原料和生物质。可在本发明所述的方法中用作原料的示例性类型的生物质包括纤维素生物质、半纤维素生物质和木素原料或原料的木素部分。这类生物质原料包含，例如用作碳源的碳水化合物底物(如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖、果糖和淀粉)。考虑到本文提供的教诲和指导，本领域的技术人员会理解除上文那些示例性的原料和生物质，可再生的原料和生物质也可用以培养用于生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的本发明的所述微生物。
[0200]在一些实施方式中，本发明提供了具有反映大气中碳摄取源的碳-12、碳-13和碳-14的比率的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体。在一些这类实施方式中，该摄取源是C02。在一些实施方式中，本发明提供了具有反映石油基碳摄取源的碳-12、碳-13和碳-14的比率的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体。在一些实施方式中，本发明提供了具有碳-12、碳-13和碳-14的比率的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体，所述比率通过将大气中的碳摄取源与石油基摄取源相结合而获得。摄取源的这种组合是碳-12、碳-13和碳-14的比率可以变化的一种手段。
[0201]除了如上文以及此处的那些示例性的可再生的原料，本发明所述的甲基丙烯酸甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯微生物也可以修改为将合成气作为其碳源进行培育。在这个特定的实施方式中，在生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的生物中表达一种或多种蛋白质或酶，以提供用于利用合成气或其他气态碳源的代谢途径。[0202]合成气体(也称为合成气或者发生炉煤气)是煤炭和碳质材料(如包括农作物和农业剩余物的生物质材料)气化的主要产物。合成气是一种主要含H2和CO的混合物以及可以通过气化任何有机原料(包括但不仅限于煤炭、煤油、天然气、生物质以及有机废物)获得。一般地，在高燃料/氧气比的条件下进行气化。虽然大部分含H2和CO，合成气还可以包括少量的CO2和其他气体。因此，合成气体提供了有成本效益的气体碳源，如CO以及另外地，CO2。
[0203]Wood-Ljungdahl途径催化从CO和H2到乙酰基-CoA和其他产物(如乙酸)的转化。能够利用CO和合成气的生物一般地也具有通过该Wood-Ljungdahl途径包含的相同的基本酶和转化组利用CO2和C02/H2混合物的能力。通过微生物依赖H2的从CO2到乙酸的转化得到公认很长时间之后，显示，CO也可以被相同的生物采用以及涉及的途径也相同。已有显示，许多产乙酸菌在CO2的存在下生长，以及只要存在氢以提供必需的还原当量，便生产化合物，如乙酸(见例如，Drake, Acetogenesis, pp.3-60Chapman and Hall, New York, (1994))。这可以概括为如下的反应式:
[0204]2C02+4H2+n ADP+n Pi — CH3C00H+2H20+n ATP。
[0205]因此，具有该Wood-Ljungdahl途径的非天然存在的微生物也可以利用CO2和H2混合物来生产乙酰基-Cok和其他所需的产品。
[0206]该Wood-Ljungdahl途径为本领域熟知以及由12个反应组成，所述反应可以分为两个支路:(1)甲基支路和(2)羰基支路。该甲基支路将合成气转化为甲基-四氢叶酸(甲基-THF)而该羰基支路将甲基-THF转化为乙酰基-CoA。依次通过如下酶或者蛋白质催化该甲基支路中的反应:铁氧还蛋白氧化还原酶、甲酸脱氢酶、甲酰基四氢叶酸合成酶、次甲基四氢叶酸环化脱水酶、亚甲基四氢叶酸脱氢酶和亚甲基四氢叶酸还原酶。依次通过如下酶或者蛋白质催化在该羰基支路中的反应:甲基四氢叶酸:类咕啉蛋白质甲基转移酶(例如AcsE)、钴铁硫蛋白质、镍-蛋白质装配蛋白质(例如AcsF)、铁氧还蛋白、乙酰基-CoA合酶、一氧化碳脱氢酶和镍-蛋白质装配蛋白质(例如CooC)。遵循本文提供的关于引入足够数量的编码核酸以生成甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的教诲和指导，本领域的技术人员会理解，关于至少引入编码宿主生物中缺少的Wood-Ljungdahl酶或者蛋白质的核酸，也可以进行相同的工程设计。因此，将一种或者多种编码核酸引入本发明的微生物使得修饰的生物包含完整的Wood-Ljungdahl途径，这将获得合成气利用能力。
[0207]另外，还原(逆向)三羧酸循环用于和/或氢化酶活性也可以用于CO、CO2和/或H2到乙酰基-CoA和其他产物(如乙酸)的转化。能够经由还原TCA途径来固定碳的生物可以利用一种或者多种如下酶:ATP柠檬酸-裂解酶、柠檬酸裂解酶、乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶、α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶、琥珀酰-Cok合成酶、琥珀酰-Cok转移酶、延胡索酸还原酶、延胡索酸酶、苹果酸脱氢酶、NAD(P)H:铁氧还蛋白氧化还原酶、一氧化碳脱氢酶以及氢化酶。具体地，将通过一氧化碳脱氢酶和氢化酶从CO和/或H2萃取得到的还原当量用于经由还原TCA循环将CO2固定入乙酰基-CoA或者乙酸。乙酸可以通过酶(如乙酰基-CoA转移酶、乙酸激酶/磷酸转乙酰酶以及乙酰基-CoA合成酶)转化为乙酰基-CoA。乙酰基-CoA可以通过丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶以糖原异生酶，转化为甲基丙烯酸前体、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯(例如，甘油醛-3-磷酸、磷酸烯醇丙酮酸以及丙酮酸)。遵循本文提供的关于引入足够数量的编码核酸以生成甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的教诲和指导，本领域的技术人员会理解，关于至少引入编码宿主生物中缺少的还原TCA途径酶或者蛋白质的核酸，也可以进行相同的工程设计。因此，将一种或者多种编码核酸引入本发明的微生物使得修饰的生物包含完整的还原TCA途径，这将获得合成气利用能力。
[0208]因此，考虑到本文提供的教诲和指导，本领域的技术人员会理解，可以生产一种非天然存在的微生物，该微生物当在碳源(如碳水化合物)上培养时分泌本发明的生物合成的化合物。这类化合物包括，例如，甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯以及在甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径中的任何中间体代谢产物。所有需要的是在一种或多种所需的酶或蛋白质活性中进行设计，以实现所需化合物或中间体(包括，例如部分或全部所述甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生物合成途径的包涵物)的生物合成。因此，本发明提供了一种非天然存在的微生物，所述微生物当培育在碳水化合物或其他碳源上时生产和/或分泌甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯以及当培育在碳水化合物或其他碳源上时分泌甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径中所示的任何中间体代谢产物。本发明的所述生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的微生物可以启动始自中间体(例如，柠苹酰-CoA、衣康酰-CoA、衣康酸、柠苹酸、中康酸或柠康酸)的合成。
[0209] 利用本领域熟知的方法如本文所示范构建本发明所述的非天然存在的微生物，以以足够的量外源性表达编码甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径酶的至少一种核酸，以生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯。理解的是，在足以生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的条件下培养本发明的所述微生物。遵循本文提供的教诲和指导，本发明所述的非天然存在的微生物可以实现甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的生物合成，产生在约0.l-200mM或更多之间的细胞内浓度。一般地，甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的细胞内浓度在约3-150mM或更多之间，特别地在约5-125mM或更多之间以及更特别地在约8_100mM之间，包括约10mM、20mM、50mM、80mM或更多。也可以从本发明的所述非天然存在的微生物获得这些示例性范围的每个之间和以上的细胞内浓度。
[0210]在一些实施方式中，培养条件包括厌氧或基本上厌氧培育或维持条件。示例性的厌氧条件已有先前描述并为本领域所熟知。用于发酵过程的示例性的厌氧条件的描述见于本文以及，例如2007年8月10日提交的美国专利申请号US2009/0047719。任何这些条件可以与所述非天然存在的微生物以及本领域熟知的其他厌氧条件一起使用。在这种厌氧或基本上厌氧的条件下，甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生产者可以合成细胞内浓度为5-10mM或更多以及本文示例性的所有其他浓度的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯。理解的是，虽然上文的描述指细胞内浓度，生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的微生物可以在细胞内生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯和/或分泌产物到培养基内。
[0211]除本文披露的培养和发酵条件之外，用于实现甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的生物合成的培育条件可以包括将渗透保护剂添加到培养条件中。在某些实施方式中，可以在渗透保护剂的存在下如本文所述维持、培养或者发酵本发明所述的非天 然 存在的微生物。简言之，渗透保护剂指作为渗透物起作用以及帮助如本文所述的微生物经受得住渗透应力的化合物。渗透保护剂包括但不仅限于甜菜碱、氨基酸以及海藻糖。这类渗透保护剂的非限制性的实施例是甘油酸甜菜碱、果仁糖甜菜碱、二甲基喔亭、二甲基琉基丙酸(dimethylslfoniopropionate)、3_ 二甲基琉基-2-甲基丙酸、哌可酸、二甲基锍基乙酸、胆碱、L-肉毒碱和四氢嘧啶。在一个方面，该渗透保护剂是甘油酸甜菜碱。本领域的任一普通技术人员理解的是，适于保护本文所述的微生物不受渗透应力影响的渗透保护剂的量和类型将取决于所用的微生物。在培养条件下的渗透保护剂的量可以是例如，不多于约0.1mM、不多于约0.5mM、不多于约1.0mM、不多于约1.5mM、不多于约2.0mM、不多于约2.5mM、不多于约3.0mM、不多于约5.0mM、不多于约7.0mM、不多于约10mM、不多于约50mM、不多于约IOOmM或者不多于约500mM。
[0212]在一些实施方式中，可以选择碳原料和其他细胞摄取源，例如磷酸盐、氨、硫酸盐、氯化物和其他卤素来改变甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或任何甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径中间体中存在的原子的同位素分布。上面列举的各种碳原料和其他摄取源在本文中将被统称为“摄取源”。摄取源可以为产品甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径中间体或者为从甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径岔开的反应中生成的副产品中存在的任何原子提供同位素富集。可以针对任何靶原子(包括，例如碳、氢、氧、氮、硫、磷、氯化物或其他卤素)实现同位素富集。
[0213]在一些实施方式中，可以选择摄取源以改变碳-12、碳-13和碳-14的比率。在一些实施方式中，可以选择摄取源以改变氧-16、氧-17和氧-18的比率。在一些实施方式中，可以选择摄取源以改变氢、氘和氚的比率。在一些实施方式中，可以选择摄取源以改变氮-14和氮-15的比率。在一些实施方式中，可以选择摄取源以改变硫-32、硫-33、硫-34和硫-35的比率。在一些实施方式中，可以选择摄取源以改变磷-31、磷-32和磷-33的比率。在一些实施方式中，可以选择摄取源以改变氯-35、氯-36和氯-37的比率。
[0214]在一些实施方式中，靶原子的同位素比率可以通过选择一种或多种吸收源变化为所需的比率。摄取源可以来自天然源(如发现于自然界)或来自人造源，以及本领域技术人员可以选择天然源、人造源或其组合，以实现靶原子的所需同位素比率。人造的摄取源的一个例子包括，例如，至少部分地来自化学反应合成的吸收源。这种同位素富集的摄取源可以从市场上购得或在实验室内制备得到和/或可选地与摄取源的天然源混合以实现所需的同位素比率。在一些实施方式中，通过选择摄取源在自然界中发现所需来源可以获得该摄取源的靶原子同位素比率。例如，如本文所讨论的，天然源可以是衍生自生物或通过生物而合成的生物基源；或诸如基于石油的产品的源；或大气。在一些这样的实施方式中，例如，碳源可以选自衍生自化石燃料的碳源(其碳-14可能贫化)；或环境或大气碳源，如CO2 (其与其衍生自石油的对应物相比，可能具有更大量的碳-14)。
[0215]不稳定的碳同位素碳-14或放射性碳组成地球大气层中碳原子的大约1/1012以及其具有的半衰期约为5700年。碳储备在上层大气中通过涉及宇宙射线和普通氮(14N)的核反应得以补充。化石燃料中不含碳-14，因为其腐烂发生在很久以前。燃烧化石燃料降低大气中的碳-14组分，即所谓的“休斯效应”。
[0216]测定化合物中原子的同位素比率的方法是本领域的技术人员众所周知的。利用本领域已知的技术,如加速质谱(AMS)、稳定同位素比质谱(SIRMS)和点特异性天然同位素分馏核磁共振(SNIF-NMR)，通过质谱法很容易对同位素富集进行评估。这种质谱技术可以结合分离技术，如液相色谱(LC)、高效液相色谱法(HPLC)和/或气相色谱法等。
[0217]在碳的情况下，在美国，美国材料试验国际协会(ASTM International)开发了ASTM D6866作为用于使用放射性碳测年法测定固体、液体和气体样品的生物基含量的标准化分析方法。该标准基于使用放射性碳测年法测定产品生物基含量。ASTM D6866首次公开于2004年，以及该标准的当前有效版本是ASTM D6866-11 (2011年4月I日起生效)。放射性碳测年法(包括本文所述的那些)为本领域的技术人员所熟知。
[0218] 通过碳-14 (14C)与碳-12 (12C)的比率估算化合物的生物基含量。具体而言，该现代组分(Fm)根据如下表达式计算:Fm=(S-B)/(M-B)，其中B、S和M分别代表空白对照、样品和现代参考物的14c/12c比率。现代组分是样品相对于“现代”的14C/12C比率偏差的量度。现代被定义为被归一化为S13CVPDB=-19%。的，国家标准局(NBS)草酸I (即标准参考物质(SRM) 4990b)的放射性碳浓度(公元1950年)的95% (Olsson, The use of Oxalicacid as a Standard。见 Radiocarbon Variations and Absolute Chronology.NobelSymposium, 12th Proc., John ffiley&Sons, New York(1970))。使用国际上通用的关于被归一化为δ 13CVPDB=-19%。的NBS草酸I (SRM4990b)的比活度的0.95倍的定义，例如通过ASM测量，算得质谱法结果。这相当于1.176 + 0.010X 10_12的绝对(公元1950年)14C/12C比率(Karlen等人，Arkiv Geofysik, 4:465-471 (1968))。标准计算考虑到同位素彼此间的差分摄取情况，例如，在生物系统中优先摄取C12，然后C13，然后C14，以及这些修正被反映成校正为δ 13的Fm。
[0219]草酸标准物(SRM4990b或者HOxl)从1955年的甜菜作物中制得。虽然当时制有1000磅，但是这种草酸标准物已经不能从市场上购得了。草酸II标准物(H0x2 ；N.1.S.T名称为SRM4990C)从1977年法国的甜菜糖蜜作物中制得。在20世纪80年代初，一组12个实验室测量了这两个标准的比率。草酸II与I的活性比率为1.293±0.001(加权平均)。HOxII的同位素比率是-17.8%。。ASTM D6866-11建议将可用草酸II标准SRM4990C (H0x2)用作现代标准物(见Mann, Radiocarbon, 25 (2):519-527 (1983)中关于原来与目前可用的草酸标准物的对比讨论)。Fm=0%表示材料中完全没有碳-14原子,从而表明是化石(例如石油基)碳源。Fm=100% (针对1950年后核弹测试向大气中注入碳_14的现象校正之后)表明是完全现代的碳源。正如本文所述，这样的“现代”源包括生物基源。
[0220]如ASTM D6866中所述，现代碳百分数(pMC)可能大于100%，这是由于20世纪50年代核试验方案的持续但递减的效果，这导致如ASTMD6866-11中所述的，大气中有相当大量的碳-14富集。因为所有样品碳-14活性参考“炸弹前”(pre-bomb)标准，而因为几乎所有新的生物基产品在后炸弹环境(post-bomb environment)中生产,所以所有的pMC值(同位素组分校正后)必须乘以0.95 (自2010年起)，以更好地反映样品真实的生物基含量。大于103%的生物基含量表明，要么发生了分析错误，要么生物基碳的来源有些年头。
[0221]ASTM D6866相对材料的总有机物含量对生物基含量进行量化，并不考虑存在的无机碳及其他非含碳物质。 例如，基于ASTM D6866，具有50%淀粉基材料和50%水的产品将被认为具有的生物基含量=100% (50%有机物含量是100%生物基的)。在另一个实例中，具有50%淀粉基材料、25%石油基材料和25%水的产品将具有生物基含量=66.7% (该产品的75%有机物含量，但只有50%是生物基的)。在另一例子中，具有50%有机碳且作为石油基产品的产品将被认为具有的生物基含量=0% (50%有机碳但来自化石源)。因此，基于用于测定化合物或材料的生物基含量的公知方法和公知标准，本领域的技术人员可以很容易地测定生物基含量和/或利用具有所需的生物基含量的本发明所制备的下游产品。
[0222]碳-14测年技术在量化材料生物基含量方面的应用为本领域已知(Currie等人，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B,172:281-287 (2000))。例如，碳-14测年法已被用来量化含对苯二甲酸盐的材料的生物基含量(Colonna等人，GreenChemistry, 13:2543-2548(2011))。值得注意的是，衍生自可再生的1，3-丙二醇的聚对苯二甲酸丙二醇酯(PPT)聚合物和衍生自石油的对苯二甲酸产生了接近30%的Fm值(B卩，由于3/11的聚合物碳衍生自可再生的1，3-丙二醇以及8/11衍生自化石端元(end member)对苯二甲酸MCurrie等人，同上文，2000)。与此相反，衍生自可再生的1，4-丁二醇和可再生的对苯二甲酸的聚对苯二甲酸丁二醇酯聚合物产生了超过90%的生物基含量(Colonna等人，同上文，2011)。
[0223]因此，在一些实施方式中，本发明提供了具有反映大气碳(也成为环境碳)摄取源的碳-12、碳-13和碳-14的比率的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径中间体。例如，在一些方面，甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体可以具有至少10%、至少15%、至少20%、至少25%、至少30%、至少35%、至少40%、至少45%、至少50%、至少55%、至少60%、至少65%、至少70%、至少75%、至少80%、至少85%、至少90%、至少95%、至少98%或高达100%的Fm值。在一些这类实施方式中，该摄取源是C02。在一些实施方式中，本发明提供了具有反映石油基碳摄取源的碳-12、碳-13和碳-14的比率的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体。在这方面，甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体可以具有小于95%、小于90%、小于85%、小于80%、小于75%、小于70%、小于65%、小于60%、小于55%、小于50%、小于45%、小于40%、小于35%、小于30%、小于25%、小于20%、小于15%、小于10%、小于5%、小于2%或小于1%的Fm值。在一些实施方式中，本发明提供了具有碳_12、碳-13和碳-14的比率的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体，所述比率通过将大气中的碳摄取源与石油基摄取源相结合而获得。利用摄取源的这种组合是碳-12、碳-13和碳-14的比率可以变化的一种途径，以及各自的比率将反映摄取源的比例。[0224]进一步，本发明涉及如本文所披露的生物生产的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体，以及涉及从中衍生得到的产物，其中该甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体与环境中存在的CO2具有差不多相同数值的碳-12、碳-13以及碳-14同位素比率。例如，在某些方面，本发明提供生物衍生的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或生物衍生的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体，其与环境中存在的CO2具有差不多相同数值的碳-12对碳-13对碳-14同位素比率或本文披露的任何其他比率。理解的是，如本文所披露，产物可以与环境中存在的CO2具有差不多相同数值的碳-12对碳-13对碳-14同位素比率或本文披露的任何比率，其中产物生成自本文披露的生物衍生的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或生物衍生的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体，其中生物衍生的产物经化学改性生成最终产品。如本文所述，将甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或其中间体的生物衍生的产物进行化学改性以生成所需产物的方法为本领域的技术人员熟知。本发明进一步提供与环境中存在的CO2具有差不多相同数值的碳-12对碳-13对碳-14同位素比率的聚合物，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、丙烯酸塑料以及共聚物(如甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS))等等，其中该聚合物(包括聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸塑料以及甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS))直接生成自或结合本文披露的生物衍生的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或生物衍生的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体。
[0225]甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯是在商业以及工业应用中使用的化学品。这类应用的非限制性例子包括生产聚合物，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(也称为丙烯酸玻璃、Lucite?或Plexiglas?)、丙烯酸塑料以及共聚物(如甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS))。而且，甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯还被用作原料，用于生产各种各样的产品，包括聚合物(包括聚甲基丙烯酸、甲酯丙烯酸塑料以及甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS))。因此，在某些实施方式中，本发明提供生物基聚合物，包括聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸塑料以及共聚物(包括甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS))，包含由本发明的非天然存在的微生物生产的或利用本文披露的方法生产的一种或多种生物衍生的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或生物衍生的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体。包括聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸塑料以及共聚物(包括甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯)的这类聚合物可以具有如上文所述的所需比率的生物衍生的前体和石油基前体的混合物。
[0226]如本文所用，术语“生物衍生的”指衍生自或合成自生物以及可以被认为是一种可再生资源，因为它可以由生物生成。这样一种生物,尤其是本文披露的本发明的微生物,可以利用原料或生物质，例如，从农业源、植物源、细菌源或动物源获得的糖类或碳水化合物。替代性地，该生物可以利用大气碳。如本文所用，术语“生物基”指全部或部分地由本发明的生物衍生的化合物组成的如上所述的产物。与生物基或生物衍生的产物形成对照的是石油源产物，其中这样一种产物衍生自或合成自石油或石化原料。
[0227] 在某些实施方式中，本发明提供聚合物，包括聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸塑料以及甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS)，包含生物衍生的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或生物衍生的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体，其中该生物衍生的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或生物衍生的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体包括在聚合物生产中所用的全部或部分甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体，包括聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸塑料以及甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS)。因此，在某些方面，本发明提供生物基聚合物，包括聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸塑料以及甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS)，其包含本文披露的至少2%、至少3%、至少5%、至少10%、至少15%、至少20%、至少25%、至少30%、至少35%、至少40%、至少50%、至少60%、至少70%、至少80%、至少90%、至少95%、至少98%或100%生物衍生的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或生物衍生的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体。另外地，在某些方面，本发明提供生物基聚合物，包括聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸塑料以及甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS)，其中在其生产中所用的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体是生物衍生的以及石油源的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体的组合。例如，包括聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸塑料以及甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS)的生物基聚合物可以利用50%生物衍生的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯以及50%石油源的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类(如甲基丙烯酸甲酯)、3_羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或其他所需比率(如 60%/40%、70%/30%、80%/20%、90%/10%、95%/5%、100%/0%、40%/60%、30%/70%、20%/80%、10%/90%)的生物衍生的/石油源的前体得以生产，只要产物的至少部分包含由本文披露的微生物所生产的生物衍生的产物。可理解的是，用于利用本发明的生物衍生的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯或生物衍生的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯中间体来生产包括聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸塑料以及甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物(MBS)的聚合物的方法是本领域熟知的。
[0228]培养条件可以包括，例如液体培养程序以及发酵和其他大规模培养程序。如本文所描述，在厌氧或基本上厌氧的培养条件下可以获得本发明生物合成产物的特别有用的收率。
[0229] 如本文所描述，一种用于实现甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生物合成的示例性培育条件包括厌氧培养或发酵条件。在某些实施方式中，本发明的所述非天然存在的微生物可以在厌氧或基本上厌氧的条件下维持、培养或发酵。简言之，厌氧条件指缺乏氧的环境。基本上厌氧的条件包括，例如培养菌分批发酵或连续发酵以便培养基中溶解的氧浓度保持在O和10%的饱和度之间。基本上厌氧的条件还包括在保持在小于1%的氧气氛中的密封室内部的液体培养基中或固体琼脂上培育或静置细胞。可以通过，例如用N2/C02混合物或一种或多种其他合适的非氧气体喷射培养菌来保持氧的百分比。
[0230]本文所述的培养条件可以按比例扩大并连续增长，以用于生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯。示例性的培养程序包括，例如补料分批发酵和分批分离；补料分批发酵和连续分离；或者连续发酵和连续分离。所有这些过程都为本领域所熟知。发酵程序对于工业规模的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的生物合成生产是特别有用的。一般地以及与非连续培养程序一样，甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的连续和/或接近连续的生产将包括在足够的营养物和培养基中培养本发明的生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的非天然存在的生物，以维持和/或接近维持指数期的生长。这种条件下的连续培养可以包括，例如I天、2天、3天、4天、5天、6天或7天或更多。此外，连续培养可以包括I周、2周、3周、4周或5周或更多周乃至数月。替代性地，如果适于具体的应用，本发明的生物可以培养数小时。理解的是，连续和/或接近连续培养的条件还可以包括这些示例性周期之间的所有的时间间隔。进一步理解的是，本发明的所述微生物的培养时间是足以生产足够量的用于所需目的的产品的时间段。
[0231]发酵程序为本领域所熟知。简言之，可以以，例如补料分批发酵和分批分离；补料分批发酵和连续分离；或连续发酵和连续分离的方式利用用于甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的生物合成生产的发酵。分批和连续发酵程序的例子为本领域所熟知。
[0232]除了上文将本发明的所述甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯、3-羟基异丁酸酯、2-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯生产者用于相当数量的甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、甲基丙烯酸甲酯、3-羟基异丁酸酯、3-羟基异丁酸酯、2-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的连续的生产的发酵程序，生产者还可以，例如同时经受化学合成程序，以将产物转化为其他化合物，或者产物可以从发酵培养物中分离以及后续经受化学或酶催转化，以将产物转化为其他化合物(如有需要)。例如，在某些实施方式中，本发明提供3-羟基异丁酸酯(如甲基-3-羟基异丁酸酯)或2-羟基异丁酸酯(如甲基-2-羟基异丁酸酯)到甲基丙烯酸酯类(如甲基丙烯酸甲酯)的化学脱水。可理解的是，用于催化这类化合物脱水的方法以及化学化合物为本领域所熟知。
[0233]随着甲基丙烯酸酯类的形成，3-羟基异丁酸酯和2-羟基异丁酸酯可以进行化学脱水，始自从发酵溶液中分离的纯3-羟基异丁酸酯或2-羟基异丁酸酯或始自发酵溶液的后处理中分离的3-羟基异丁酸酯或2-羟基异丁酸酯的水性或有机溶液。3-羟基异丁酸酯或2-羟基异丁酸酯的这类溶液还可以在脱水步骤前，可选地在合适的夹带剂存在时，例如通过蒸馏进行浓缩。
[0234]脱水反应可以在液相或气相中完成。脱水反应可以在存在催化剂时完成，采用的催化剂性质取决于气相或液相反应是否完成。
[0235]合适的脱水催化剂包括酸性催化剂和碱性催化剂。具体地，酸性催化剂可以表现出较低的形成低聚物的倾向。采用的脱水催化剂可以是均相催化剂、非均相催化剂或其组合。非均相催化剂可结合合适的载体材料使用。这种载体本身可以是酸性或碱性并提供酸性或碱性脱水催化剂；或催化剂可以应用到惰性载体上。
[0236]作为脱水催化剂的合适载体包括天然的或合成的硅酸盐，如丝光沸石、蒙脱石、酸性沸石；涂有一元、二元或多元无机酸(如磷酸)或涂有无机酸的酸性盐(例如氧化物或硅酸盐，如A1203、Ti02)的载体；氧化物和混合氧化物(如杂多酸的Y-A1203和ZnO — A1203的混合氧化物)。既作为脱水催化剂又作为载体载体材料起作用的碱性物质包括作为其氧化物的碱、碱土、镧、镧系元素或其组合。可以实现脱水的又一类材料是可以以碱性或酸性的形式使用的离子交换剂。
[0237]合适的均相脱水催化剂包括无机酸，例如含磷的酸(如磷酸)。无机酸可以通过浸没或浸溃固定在载体材料上。
[0238] 在一些实施方式中，使用本领域中已知的常规装置，例如管式反应器、管壳式换热器和包括热板作为热交换器的反应器，在气相中进行脱水反应。在一些实施方式中，气相脱水可以利用分离的3-羟基异丁酸酯或该酯的溶液，将该酯引入到具有固定床催化剂的反应器中。在液相中，可以在200°C和350°C之间，在一些实施方式中，在250和300°C之间的温度范围内进行热脱水。[0239]为生成更好的生产者，可以利用代谢建模优化培育条件。建模还可被用以设计另外优化途径应用的基因敲除(参见，例如美国专利公布US2002/0012939、US2003/0224363、US2004/0029149,US2004/0072723,US2003/0059792,US2002/0168654 和 US2004/0009466 ；以及美国专利号7，127，379)。建模分析允许对偏移代谢对细胞生长的影响进行可靠的预测，以便更高效地生产甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯。
[0240]一种用于识别和设计支持所需产品的生物合成的代谢改变的计算方法是OptKnock 计算框架(Burgard 等人，Biotechnol.Bioeng.84:647-657 (2003))。OptKnock 是一种代谢建模和模拟程序，该程序提出基因删除或者中断策略，其产生从基因方面来说稳定的微生物，该微生物超过定额地生产靶产品。具体而言，该框架检查微生物的完整的代谢和/或生化网络，以便提出迫使所需的生化品变为细胞生长的专性副产品的基因操作。通过战略性放置的基因缺失或其他功能基因中断把生化生产与细胞生长耦合起来，在生物反应器中长时间之后，施加至设计菌株的生长选择压力由于结合强制性生长的生化生产引起效能改善。最后，当基因缺失被构建时，由于OptKnock选择的基因将从基因组完全去除,设计菌株回复到其野生型状态的可能性可以忽略不计。因此，该计算方法可用以识别导致所需产品生物合成的替代性途径或与所述非天然存在的微生物结合用于所需产品生物合成的进一步优化。
[0241]简言之，术语OptKnock在本文用以指用于建模细胞代谢的计算方法和系统。OptKnock方案涉及将具体的约束因素引入通量平衡分析(FBA)模型的模型和方法的框架。这些约束因素包括，例如定性动力信息、定性调节信息和/或DNA微阵列实验数据。OptKnock还通过，例如收紧通过通量平衡模型导出的通量边界以及随后在基因添加或删除的存在下探测代谢网络的效能极限来计算各种代谢问题的解。OptKnock计算框架允许使代谢网络的效能极限的有效质询可行的模型表述的构建以及提供用于解决引起的混合整数线性规划问题的方法。本文称为OptKnock的代谢建模和模拟方法的描述见于，例如2002年I月10日提交的美国公布2002/0168654、2002年I月10日提交的国际专利号PCT/US02/00660以及2007年8月10日提交的美国公布2009/0047719。
[0242]另一种用于识别和设计支持产品的生物合成生产的代谢改变的计算方法是一种
代谢建模和模拟系统，称为SimPheny1’...该计算方法和系统的描述见于，例如2002年6月
14日提交的美国公布2003/0233218以及见于2003年6月13日提交的PCT/US03/18838。
SimPheny?是一种计算系统，该系统可用以产生硅内网络模型并用以通过生物系统的化
学反应模拟质量、能量或电荷的通量，以限定包含该系统中化学反应的任何以及所有可能的函数的解空间，从而确定该生物系统一系列的允许活性。这种方法称为基于约束因素的建模，因为该解空间由约束因素限定，如所包含的反应的已知的化学计量以及通过反应与最大通量关联的反应热动力和能力约束因素。可以询问这些约束因素限定的空间，以确定该生物系统或其生化部件的显型能力和行为。
[0243]这些计算方法与生物现实一致，因为生物系统具有灵活性并可以许多不同的方式达到相同的结果。生物系统已经通过由所有生物系统必须面对的基本的约束因素限制的进化机制加以设计。因此，基于约束因素的建模策略包括这些一般现实。进一步地，通过约束因素收紧向网络模型连续施加进一步的限制的能力导致解空间的尺寸变小，从而提升生理效能或显型可预测的精确性。
[0244]考虑到本文提供的教诲和指导，本领域的技术人员将能够应用各种用于代谢模型和模拟的计算框架，以在宿主微生物中设计和实施所需化合物的生物合成。这种代谢建模
和模拟方法包括，例如上文示范为SimP.henyK和OptKnock的计算系统。为了说明本发明，
本文描述一些关于用于建模和模拟的OptKnock计算框架的方法。本领域的技术人员会了解如何利用OptKnock将代谢改变的识别、设计和实施应用于为本领域所熟知的任何这类其他代谢模型和模拟计算框架和方法。
[0245]上文描述的方法将提供待中断的一组代谢反应。该组或代谢修饰内每个反应的消除可以在生物的培育期期间产生作为专性产品的所需产品。由于反应已知，双层OptKnock问题的解也将提供编码一种或多种催化该组反应内每个反应的酶的有关基因。一组反应及其相应的编码参与每个反应的酶的基因的识别通常是自动化过程，通过将反应与具有酶和编码基因之间的关系的反应数据库相关联得以完成。
[0246]一旦确定，通过至少一个编码该组反应内每个代谢反应的基因的功能中断在靶细胞或生物内实施该组反应，该组反应待中断以便实现所需产品的生产。一种实现该反应组的功能中断的特别有用的手段是通过删除每个编码基因。然而，在某些情况下，通过其他的遗传畸变(包括，例如调节区域如启动子或针对调节因子的顺式结合位点的突变、删除或者通过大量位置的任意处 编码序列的截断)中断该反应可能是有利的。这些导致基因组不完全删除的后者畸变可能是有用的，例如，当需要产物耦合的快速评估或当不太可能发生遗传回复变异时。
[0247]为识别上文描述的导致进一步的中断反应组或可以导致生物合成(包括所需产品的生长耦合的生物合成)的代谢修饰的双层OptKnock问题的其他的富有成效的解，可以实施一种优化方法，称为整数切割。该方法通过在每次迭代时纳入被称为整数切割的另一约束因素迭代地解决上文示例性的OptKnock问题而进行下去。整数切割约束因素有效地阻止解程序选择在任何先前的强制耦合产品生物合成至生长的迭代中确定的恰好相同的反应组。例如，如果先前确定的耦合生长的代谢修饰指定反应1、2和3进行中断，则接下来的约束因素阻止相同的反应被同时考虑在后续解中。该整数切割方法为本领域所熟知以及可以发现其被描述于，例如Burgard等人,Biotechnol.Prog.17:791-797 (2001)。与本文关于其结合用于代谢模型和模拟的OptKnock计算框架的用途所述的所有方法一样，减少迭代计算分析中的冗余的整数切割方法还可以与本领域所熟知的其他计算框架(包括，例如Sim Pheny其)一起应用。
[0248]本文示例性的方法允许生物合成地生产所需产品的细胞和生物的构建，包括靶生化产品的生产与被设计包括所识别的基因改变的细胞或生物生长的强制耦合。因此，本文所述的计算方法允许通过选自OptKnock或SimPheny?的硅内方法识别的代谢修饰的识
别和实施。代谢修饰组可包括，例如一种或多种生物合成途径酶的添加和/或一种或多种代谢反应的功能中断(包括，例如通过基因删除中断)。
[0249]如上文所讨论，该OptKnock方法的开发前提是当遭受长期的生长选择时突变微生物网络可以朝向其计算地预测最大生长显型进化。换言之，该方法利用生物在选择压力下的自优化能力。该OptKnock框架允许有基于网络化学计量强迫形成生化生产和细胞生长之间的稱合的基因删除组合的穷尽枚举(exhaustive enumeration)。最佳基因/反应敲除的确认需要双层优化问题的解，所述解选择活性反应组以便所得网络的最佳生长解超过定额地生产相关生化品(Burgard 等人，Biotechnol.Bioeng.84:647-657 (2003))。
[0250]大肠杆菌代谢的硅内化学计量模型可用以识别代谢途径必需的基因，如先前示范以及描述，见于，例如美国专利公布 US2002/0012939、US2003/0224363、US2004/0029149、US2004/0072723、US2003/0059792、US2002/0168654 和 US2004/0009466 以及见于美国专利号7，127，379。如本文所披露，OptKnock数学框架可用以精确地定位基因删除，导致所需产品的耦合生长的生产。进一步地，双层OptKnock问题的解仅提供一组删除。要枚举所有有意义的解，即导致耦合生长的生产的形成的所有敲除组，可以实施优化技术，称为整数切割。这必伴有通过在每次迭代时纳入被称为整数切割的另一约束因素迭代地解决该OptKnock问题,如上文所讨论。
[0251]如本文所披露，可将编码甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径的所需活性的核酸引入宿主生物。在某些情况下，修饰甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径酶或者蛋白质的活性以提高甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯的生产，这会是可取的。例如，可将增加蛋白质或者酶的活性的已知突变引入编码核酸分子。另外，可以采用优化方法来提高酶或者蛋白质的活性和/或降低抑制活性，例如，降低负调节因子的活性。
[0252]一种这类的优化方法是定向进化。定向进化是一种涉及引入靶向特异性基因的突变以改善和/或改变酶的特性的强有力的方法。可以通过开发和实施允许许多酶变体(如>104)的自动筛选的敏感性高通量筛选测定确定改善和/或改变的酶。通常进行迭代轮的诱变和筛选，以使酶具有优化的特性。可有助于识别进行诱变的基因区域的计算算法也已经被开发并可以显著地减少需要生成和筛选的酶变体的数目。已经开发了大量的定向进化技术(参阅 Hibbert 等人,Biomol.Eng22:11-19 (2005) ；Huisman 和 Lalonde, InBiocatalysis in the pharmaceutical and biotechnology industries pgs.717—742(2007), Patel (ed.), CRC Press ；0tten 和 Quax.Biomol.Eng22:1-9 (2005).;以及 Sen 等人，Appl Biochem.Biotechnol 143:212-223 (2007))以有效地创建多样化变体库并且这些方法已被成功地应用于许多酶等级范围内各种特性的改善。通过定向进化技术改善和/或改变的酶特性包括，例如选择性/特异性-针对非自然底物的转化；温度稳定性-针对鲁棒高温处理；pH值稳定性-针对较低或较高pH值条件下的生物工艺；底物或产物容忍性(tolerence)-以便可以实现高产物滴度；结合性(Km)-扩大底物结合以包括非自然底物；抑制性(Ki)-以通过产物、底物或关键的中间体去除抑制；活性(k。J-提高酶催反应速率，以获得所需通量；表达水平-增加蛋白质收率和整个途径通量；氧稳定性-针对在有氧条件下空气敏感性酶的操作；以及厌氧活性-针对缺氧条件下需氧酶的操作。
[0253]下文对示例性的方法进行更详细的描述，所述示例性的方法已经被开发用于基因的诱变和多样化以靶向特异性酶的所需特性。这类方法为本领域的技术人员所熟知。任何这些方法可用以改变和/或优化甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯类、3-羟基异丁酸酯和/或2-羟基异丁酸酯途径酶或者蛋白质的活性。
[0254] EpPCR(Pritchard等人，J Theor.Biol.234:497-509 (2005))通过添加 Mn2+离子降低PCR反应中DNA聚合酶的保真度、通过加偏压于dNTP浓度或通过其他条件性的改变引入随机点突变。将诱变局限于相关靶基因的五步骤克隆过程涉及:1)相关基因的易错PCR扩增；2)限制酶切；3)所需DNA片段的凝胶纯化;4)连接入载体；5)基因变体至合适的宿主的转化以及为改善效能进行的库筛选。该方法可以同时在单个基因中产生多个突变，所述突变可用于筛选更大量的具有所需活性的潜在变体。通过EpPCR可以生成大量的突变体，因此高通量筛选测定或选择方法(例如，利用机器人)对于识别那些具有所需特性的突变体是有用的。
[0255]易错滚环扩增(epRCA)(Fujii 等人，Nucleic Acids Res.32: el45 (2004);以及Fujii等人，Nat.Protoc.1:2493-2497(2006))具有许多与印PCR相同的要素，除了整个环状质粒被用作模板以及在最后2个核苷酸上具有核酸外切酶抗性硫代磷酸酯键的随机6-引物被用以扩增该质粒，接着转化至细胞，在那里该质粒以串联反复被再环化。调整Mn2+浓度可以稍微改变突变率。该技术利用一种简易的易错、单步骤方法以3-4突变/kbp创建质粒的完整副本。无需限制酶消化或特异性引物。此外，该方法通常以可购得的试剂盒的形式被利用。
[0256]DNA 或家族改组(Stemmer, Proc Natl Acad Sci USA91:10747-10751 (1994));以及Stemmer, Nature370:389-391 (1994))通常涉及以核酸酶(如脱氧核糖核酸酶I或核酸内切酶V)消化两种或两种以上的变体基因，以生成随机片段池，所述随机片段在DNA聚合酶的存在下通过退火和扩展循环进行重装，以创建嵌合基因库。片段相互作为引物以及当一个副本作为另一副本的引物(模板切换)时发生重组。该方法可以与>lkbp的DNA序列一起使用。除了片段重装(fragment reassembly)创建的突变重组,该方法以与易错PCR类似的速率在扩展步骤引入点突变。该方法可用以去除有害的、随机的以及中性的突变。
[0257]交错延伸(StEP)(Zhao 等人，Nat.Biotechnol.16:258-261(1998))必伴有模板引物，接着是以变性和持续非常短(短似5秒)的退火/延伸进行的2步PCR的重复循环。成长的片段退火至不同的模板并进一步延伸，这被重复直至形成完整长度的序列。模板切换意味着多数所得的片段具有多个亲本。低保真度聚合酶(Taq和Mutazyme)的组合由于相反的突变谱减少易错偏差。
[0258]在随机引物重组(RPR)中，随机序列引物被用以生成许多与不同的模板段互补的短 DNA 片段(Shao 等人，Nucleic Acids Res26:681-683 (1998))。通过印PCR 的碱的错误掺入和错引物(mispriming)带来点突变。基于同源性，短的DNA片段相互作为引物以及通过重复热循环被重组并重装成完整长度。该步骤之前的模板去除保证了低亲本重组。与多数其他方法类似，该方法进行多重迭代，以逐步得到不同的特性。该技术避免了序列偏差，不依赖于基因长度并且施用需要亲本DNA少之又少。
[0259]在异源双链重组中，线性质粒DNA被用以形成通过错配修复得以修复的异源双链(Volkov 等人,Nucleic Acids Res.27: el8 (1999)；以及 Volkov 等人,MethodsEnzymo1.328:456-463 (2000))。错配修复步骤至少是有点诱变的。异源双链的转化比线性同源双链较为高效。这种方法适于大基因和整体操纵子。
[0260]临时模板随机嵌合生长(RACHITT) (Coco等人，Nat.Biotechnol.19:354-359(2001))采用单链DNA的脱氧核糖核酸酶I断裂和大小分级。在缺少聚合酶的条件下将同源片段杂交至互补单链DNA支架。通过外核酸酶修整任何重叠的未杂交片段端。填充片段之间的空隙，然后连接以提供完整长度的多样化链池，所述链杂交至包含U以阻止扩增的支架。然后破坏所述支架并通过PCR扩增取代以与所述多样化链互补的新链。该方法涉及仅来自一个亲本的一个链(支架)而引物片段则来自其他基因，以及相对选择亲本支架。因此，不会有亲本片段的重退火发生。用核酸外切酶修整重叠的片段。在其他方面，这类似于DNA改组和StEP。因此，应该没有亲子(sibling)、几乎没有灭活物以及没有未改组的亲本。这项技术的优势在于几乎没有或没有亲本基因产生以及相对于标准的DNA改组可以产生许多更多的交叉(crossover)。
[0261]截短状模板重组延伸(RETT)必伴有在单向单链DNA片段作为模板池的存在下自引物单向生长的链的模板切换(Lee等人，J.Molec.Catalysis26:119-129 (2003))。不使用DNA核酸内切酶。通过带有随机引物的DNA聚合酶或利用核酸外切酶的连续删除(serialdeletion)生成单向单链DNA。单向单链DNA仅仅是模板而非引物。随机引物和核酸外切酶不引入如同DNA改组/RACHITT的酶催断裂的序列偏差。RETT的优化可以比StEP更容易，因为其利用正常的PCR条件而非非常短的扩展。重组作为PCR步骤的部分发生，即无直接改组。这种方法由于无停顿也可以比StEP更随机。
[0262]在简并寡核苷酸基因改组(DOGS)中，简并引物被用以控制分子之间的重组；(Bergquist 和 Gibbs, Methods Mol.Biol352:191-204 (2007);Bergquist 等人,Biomol.Eng22:63-72 (2005) ; Gibbs 等人，Gene271:13-20 (2001))这可用以控制其他方法(如 DNA 改组)再简并亲本基因的趋势。这种方法可以结合选择基因区段的随机诱变(epPCR)。这会是一个良好的阻碍亲本序列再形成的方法。不需要核酸内切酶。通过调整所得区段的输入浓度，可以偏向所需 的骨架。这种方法允许自不相关亲本的DNA改组，而无限制酶消化并允许选择随机诱变方法。
[0263]渐进式切割产生杂合酶(ITCHY)创建带有相关基因或基因片段的I碱基对删除的组合库(Ostermeier 等人,Proc.Natl.Acad.Sc1.USA96:3562-3567 (1999)；以及Ostermeier 等人,Nat.Biotechnol.17:1205-1209 (1999))。以相反的方向将切割物引入至2个不同的基因片上。将这些连接在一起并克隆融合。该技术不需要2个亲本基因之间的同源性。当ITCHY结合DNA改组时，该系统被称为SCRATCHY (见下文)。两者主要的优势是无需亲本基因之间的同源性；例如，通过ITCHY创建大肠杆菌和人基因之间的功能融合。当ITCHY文库形成，捕捉所有可能的交换。
[0264]除了硫代磷酸dNTP被用以产生切割物，硫代渐进式切割产生杂合酶(TH10-1TCHY)与 ITCHY相似(Lutz 等人，Nucleic Acids Res29:E16 (2001))。相比于 ITCHY，TH10-1TCHY可以更易优化、提供更多的再现性和可调性。
[0265]SCRATCHY结合两种用于重组基因的方法ITCHY和DNA改组(Lutz等人，Proc.Natl.Acad.Sc1.USA98:11248-11253 (2001))。SCRATCHY 兼具 ITCHY 和 DNA 改组的最好特性。首先，ITCHY被用来以不依赖DNA同源性的方式创建一套全面的基因片段之间的融合。然后，对该人造的家族执行DNA改组步骤，以增加交叉的数量。计算预测法可以在优化中使用。当序列一致性低于80%时，SCRATCHY比DNA改组更有效。
[0266]在随机漂变诱变(RNDM)中，通过epPCR进行突变，接着对保留有用活性的那些进行筛选/选择(Bergquist等人，Biomol.Eng.22:63-72 (2005))。然后，这些被用于D0GS,以产生具有多个活性突变体之间或活性突变体和其他一些所需的亲本之间的融合的重组体。设计以促进中性突变的隔离；其目的是对保留的催化活性进行这种活性是高于还是低于原始基因中的活性的筛选。当筛选能够检测背景(background)上的活性时，RNDM在高通量测定中是有用的。在产生多样性方面，RNDM已被用作DOGS的前端。该技术提出改组或其他后续步骤之前的活性要求；中性漂变文库被指出相比更小的文库产生更高/更快的活性改善。虽然公布利用epPCR，这可应用于其他大规模诱变方法。
[0267]序列饱和诱变(SeSaM)是一种随机诱变方法，该方法:I)利用硫代磷酸核苷酸的随机掺入和断裂生成随机长度片段池；该池被用作模板，以2)在“通用”碱(如肌苷)的存在下延伸；3)包含肌苷的补体的复制提供随机碱掺入以及因此提供诱变(Wong等人，Biotechnol.J.3:74-82(2008) ;Wong 等人，Nucleic Acids Res.32:e26 (2004);以及Wong等人，Anal.Biochem.341:187-189 (2005))。利用这种技术,采用简易的方法在2天到3天内产生突变体的大型文库是可能的。较之于DNA聚合酶的突变偏向，这是不定向的。这种方法的差异使得该技术是epPCR的补充(或者替代性选择)。
[0268]在合成改组中，重叠的寡核苷酸被设计以编码“靶中所有的遗传多样性”并允许改组的后代有非常高的多样性(Ness,等人，Nat.Biotechnol.20:1251-1255 (2002))。在这种技术中，可以将片段设计为被改组。这有助于提高后代所得的多样性。可以设计序列/密码子偏差，以使得更远缘的相关序列以与更密切相关的序列所遵循的速率接近的速率重组。另外，该技术不需要物质上占有模板基因。
[0269]核苷酸交换和切除技术(NexT)利用dUTP掺入组合，继之以用尿嘧啶DNA糖基化酶然后哌唳进行处理，以执行端点DNA断裂(Muller等人，Nucleic AcidsRes.33:ell7(2005))。利用内部PCR引物扩展以校正聚合酶重装基因。利用变化的dUPT::dTTP比率，改组的大小是直接可控的。这种是一种利用尿嘧啶掺入和断裂的简易方法的端点反应。对于这种方法，可以使用其他的核苷酸类似物，如8-氧代-鸟嘌呤。此外，该技术对于非常短的片段(86bp)效果良好并具有低的出错率。该项技术中所用的DNA的化学断裂导致几乎没有未改组的克隆。
[0270]在不依赖序列同源性的蛋白质重组(SHIPREC)中，接头被用以促进两个远缘/不相关的基因之间的融合。核酸酶处理被用以在这两个基因之间产生一系列嵌合体。这些融合产生单交叉文库(Sieber等人.Nat.Biotechnol.19:456-460 (2001))。这产生有限类型的改组以及诱变需要一个单独的过程。此外，因为不需要同源性，这项技术可以用两个不相关的亲本基因的每个的变化分数创建嵌合体文库。通过细菌CP450的血红素结合区域融合至哺乳动物CP450的N末端区域对SHIPREC进行了测试；这在更具可溶性的酶中产生了哺乳动物活性。
[0271]在基因位点饱和诱变? (GSSM?)中，起始材料是在所需的突变位点包含插入和两个引物简并的超螺旋双链DNA质粒(Kretz等人，Methods Enzymol.388:3-11 (2004))。带有相关突变的引物为DNA相对链上的相同序列退火。突变通常在引物的中间以及位于每边上正确序列的大约20个核苷酸的侧面。引物中的序列是NNN或NNK (编码)和MNN (未编码)(N=全部4、K=G，T, M=A, C)。延伸后，Dpn I被用以消化dam-甲基化DNA，以消除野生型模板。这项技术探索了给定位点(即一个密码子)的所有可能的氨基酸替代。该技术便于产生没有无意义密码子的单个位点上所有可能的取代以及导致最可能的等位基因的相等或近乎相等的表现。该项技术不需要靶酶的结构、作用机理或区域的现有知识。如果随后是改组或基因重装，这项技术创建包含所有可能的组合的单位点向上突变的重组体的多样化文库。 这项技术组合的实用性已被证明用于超过50个不同的酶的成功进化以及用于给定酶中一个以上的特性。
[0272]组合式盒式诱变(CCM)涉及短寡核苷酸盒以大量可能的氨基酸序列改变取代有限区域的用途(Reidhaar-Olson 等人，Methods Enzymol.208:564-586 (1991);以及Reidhaar-Olson等人，Science241:53-57 (1988))。利用这项技术在两个或三个位点进行同时替代是可能的。此外，该方法测试有限范围的位点上大量可能的序列改变。这项技术已被用于探索λ抑制子DNA结合区域的信息内容。
[0273]组合式多重盒式诱变(CMCM)在本质上与CCM相似，除了其被作为更大方案的部分所采用:1)以高突变速率使用epPCR，以2)确认热点和热区域，然后3)通过CMCM延伸，以覆盖蛋白质序列空间的限定区域(Reetz等人，Angew.Chem.1nt.EdEngl.40:3589-3591 (2001))。与CCM —样，这种技术实际上可以测试靶区域上所有可能的改变。如果与产生随机突变和改组基因的方法一起使用，其提供了一种极好的生成多样的、改组的蛋白质的手段。这种方法成功地将酶的对映选择性提高了 51倍。
[0274]在致突变菌株技术中，附条件的ts致突变质粒允许选择期间随机和自然突变频率增加20到4000倍以及当无需选择时，允许阻碍有害突变的堆积(Se I i fonova等人，Appl.Environ.Microbiol.67:3645-3649 (2001))。这项技术基于质粒衍生mutD5 基因，其编码DNA聚合酶III的突变亚基。该亚基结合至内源性DNA聚合酶III并危害任何包含该质粒的菌株中聚合酶III的校正能力。范围广泛的碱替代和移码突变发生。为了有效地使用，一旦实现所需的显型，该致突变质粒应被去除；其通过复制的温度敏感性(ts)起点完成，这允许在41°C下消除质粒。应注意的是，致突变菌株已得到长时间的探究(参见Low等人，J.Mol Bio l.260:359-3680(1996))。在这项技术中，观察到非常高的自发突变速率。附条件的特性使非所需的本底突变最小化。这项技术可以结合适应性进化，以提高诱变速率并更迅速地获得所需的显型。
[0275]精确诱变(LTM)是一种评估和优化选择氨基酸的组合突变的多维诱变方法(Rajpal 等人，Proc.Natl.Acad.Sc1.USA102:8466-8471 (2005))。不是用所有可能的氨基酸改变使每个位点饱和，而是选择一组九个以覆盖氨基酸R基化学品的范围。每个位点的较少改变允许多个位点遭受这种类型的诱变。已通过这种方法实现针对抗体的从低纳摩尔到皮可摩尔的结合亲和性的>800倍增加。这是一种合理的最小化随机组合数目的方法以及这能够通过极大地减少待筛选克隆的数目提高发现改善的性状的能力。这已被用于抗体工程，尤其是提高结合亲和性和/或减少解离。该技术可以结合筛选或选择。
[0276]基因重装是一种DNA改组方法，该方法可以一次应用于多个基因或应用于创建单基因的大型嵌合体(多重突变)文库(由Verenium Corporation提供的可调基因重装?(TGR?))。通常这项技术与超高通量的筛选结合使用，以质询用于所需改善的所表示的序列空间。这项技术允许不依赖于同源性的多个基因重组。可以利用通过生物信息学分析设计的片段预先确定交叉事件的确切数目和位置。这项技术导致非常高水平的多样性而实际上无亲本基因再形成以及低水平的灭活基因。与GSSM?结合，可以对大范围的突变进行改善活性测试。该方法允许DNA改组的“混合”和“微调”，例如可以优化密码子用法。
[0277]计算机模拟的蛋白质设计自动化(PDA)是一种优化算法，所述算法固定具有特定折叠子的结构上限定的蛋白质骨架，以及为可以稳固该折叠子和整个蛋白质能量的氨基酸替代寻找序列空间(Hayes 等人，Proc.Natl.Acad.Sc1.USA99:15926-15931 (2002))。这项技术利用计算机模拟的基于结构的熵预测，以便寻求对于蛋白质氨基酸变化的结构容忍性。统计力学被用以计算每个位置上的耦合相互作用。对于氨基酸替代的结构容忍性是耦合的量度。最后，这项技术被设计以取得蛋白质特性的所需修饰同时保持结构特性的完整性。该方法计算地评估并允许非常大量的可能的序列变体(105°)的过滤。待测序列变体的选择与基于最适合的热力学预测相关。明显地，只有稳定性或与稳定性相联系的特性可以用这项技术有效地解决。该方法已被成功地用于一些医用蛋白质，特别用于工程免疫球蛋白。计算机模拟的预测避免测试异常大量的潜在变体。基于现有三维结构的预测比基于假拟结构的预测更有可能成功。这项技术可以很容易地预测和允许多重同时突变的靶向筛选，由于数目的指数增加这在简单的实验技术是不可能的事情。
[0278]迭代饱和诱变(ISM)涉及:1)利用结构/功能的知识选择用于酶改善的适当的位点；2)利用诱变方法，如 Stratagene QuikChange (Stratagene; San Diego CA)在选定的位点进行饱和诱变；3)筛选/选择所需的特性；以及4)利用改善的克隆，在另一位点重新开始并持续重复，直至实现所需的活性(Reetz等人，Nat.Protoc.2:891-903 (2007)；以及Reetz 等人，Angew.Chem.1nt.Ed Engl.45:7745-7751 (2006))。这是一种被证明的操作法，其确保在给定位置所有可能的取代有助于筛选/选择。
[0279]前述的用于诱变的任何方法可以单独或以任何组合使用。此外，所述定向进化方法的任何一个或组合可以结合适应性进化技术使用，如本文所述。
[0280]实施例1
[0281 ] 示例性甲基丙烯酸途径酶
[0282]本实施例描述了用于生产甲基丙烯酸的示例性途径。
[0283]图1描绘了经由中间体柠苹酸从乙酰基-CoA以及丙酮酸到MAA的示例性途径。还显示从乌头酸到MAA的途径。在一个途径中，乙酰基-CoA以及丙酮酸首先通过柠苹酸合酶转化为柠苹酸。柠苹酸脱水可以出产柠康酸(步骤B)或中康酸(步骤C)。在步骤G中，中康酸以及柠康酸通过顺式/反式异构酶相互转化。中康酸(步骤H)或柠康酸(步骤C)脱羧出产MAA。在替代性途径中，柠苹酸在步骤D和E中经由柠苹酰-CoA中间体形成自乙酰基-CoA以及丙酮酸，通过柠苹酰-CoA裂解酶以及柠苹酰-CoA水解酶、转移酶或合成酶催化。
[0284]还示范了从乌头酸到MAA的途径。在一个途径中，乌头酸首先通过乌头酸脱羧酶脱羧为衣康酸(步骤I)。然后，衣康酸通过衣康酸△_异构酶(步骤J)异构化为柠康酸。柠康酸到MAA的转化直接通过脱羧或间接经由中康酸进行。在替代性途径中，衣康酸中间体首先通过CoA转移酶或合成酶转化为衣康酰-Cok (步骤L)。衣康酰-Cok经水合作用出产柠苹酰-CoA，其如上文所述以及如图1所示，然后可以转化为MAA。
[0285]表1示出了可以执行图1中所描绘的步骤的酶类。下文进一步详述了示例性酶。
[0286]表1.用于图1中所示酶的酶类.[0287]
标记功能步骤
2.3.1.a 合酶A
2.8.3.a Co 酶-A 转移酶εΤΙ[0288]
【权利要求】
1.一种非天然存在的微生物，其具有甲基丙烯酸途径，所述微生物包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸，所述甲基丙烯酸途径包含选自如下的途径: (a)柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)以及柠康酸脱羧酶； (b)柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)、柠康酸异构酶以及中康酸脱羧酶； (C)柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(中康酸形成)、柠康酸异构酶以及柠康酸脱羧酶； Cd)柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(中康酸形成)以及中康酸脱羧酶； (e)柠苹酰-CqA裂解酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)以及柠康酸脱羧酶； (f)柠苹酰-CqA裂解酶；柠苹酰-CqA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)；柠康酸异构酶以及中康酸脱羧酶； (g)柠苹酰-CoA裂解酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成)以及中康酸脱羧酶； (h)柠苹酰-CoA裂解酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成)；柠康酸异构酶以及柠康酸脱羧酶； (i)乌头酸脱羧酶、衣康酸异构酶以及柠康酸脱羧酶； (j)乌头酸脱羧酶、衣康酸异构酶、柠康酸异构酶以及中康酸脱羧酶； (k)乌头酸脱羧酶；衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-CoA脱水酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)以及柠康酸脱羧酶； (I)乌头酸脱羧酶；衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-CoA脱水酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成);柠康酸异构酶以及中康酸脱羧酶； (M)乌头酸脱羧酶；衣康酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-Cok脱水酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成)以及中康酸脱羧酶；以及(η)乌头酸脱羧酶；衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-CoA脱水酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成);柠康酸异构酶以及柠康酸脱羧酶； (ο)乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-CoA还原酶；巴豆酸酶；4_羟基丁酰基-CoA脱水酶；4_羟基丁酰基-CoA变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA合成酶或3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶；以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；以及 (P)乙酰乙酰基-Cok硫解酶；乙酰乙酰基-Cok还原酶；巴豆酸酶；4_羟基丁酰基-Cok脱水酶；4_羟基丁酰基-CoA变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA转移酶。
2.权利要求1所述的非天然存在的微生物，其中，所述微生物包含两种、三种、四种、五种、六种或七种外源性核酸，每种均编码甲基丙烯酸途径酶。
3.权利要求2所述的非天然存在的微生物，其中，所述微生物包含编码选自(a)-(P)的至少一种途径的每种酶的外源性核酸。
4.权利要求1所述的非天然存在的微生物，其中，所述非天然存在的微生物进一步包含甲基丙烯酸酯类途径，该途径包含编码甲基丙烯酸酯类途径酶的以足以生产甲基丙烯酸酯类的量表达的至少一种外源性核酸，所述甲基丙烯酸酯类途径包含异丁烯酰基-CoA合成酶、异丁烯酰基-CoA转移酶以及醇转移酶。
5.权利要求4所述的非天然存在的微生物，其中，所述微生物包含两种或三种外源性核酸，每种均编码甲基丙烯酸酯类途径酶。
6.权利要求4所述的非天然存在的微生物，其中，所述三种外源性核酸编码异丁烯酰基-CoA合成酶、异丁烯酰基-CoA转移酶以及醇转移酶。
7.一种非天然存在的微生物，其具有甲基丙烯酸酯类途径，所述微生物包含编码甲基丙烯酸酯类途径酶的以足以生产甲基丙烯酸酯类的量表达的至少一种外源性核酸，所述甲基丙烯酸酯类途径包含异丁烯酰基-CoA转移酶。
8.权利要求7所述的非天然存在的微生物，其中，该甲基丙烯酸酯类途径进一步包含异丁烯酰基-CoA合成酶以及醇转移酶。
9.权利要求7所述的非天然存在的微生物，其中，所述微生物包含两种或三种外源性核酸，每种均编码甲基丙烯酸酯类途径酶。
10.权利要求7所述的非天然存在的微生物，其中，所述三种外源性核酸编码异丁烯酰基-CoA合成酶、异丁烯酰基-CoA转移酶以及醇转移酶。
11.权利要求7所述的非天然存在的微生物，其中，所述非天然存在的微生物进一步包含选自如下的甲基丙烯酸途径: Ca)柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)以及柠康酸脱羧酶； (b)柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)、柠康酸异构酶以及中康酸脱羧酶； (C)柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(中康酸形成)、柠康酸异构酶以及柠康酸脱羧酶； Cd)柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(中康酸形成)以及中康酸脱羧酶； (e)柠苹酰-CqA裂解酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)；以及柠康酸脱羧酶； (f)柠苹酰-CqA裂解酶；柠苹酰-CqA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)；柠康酸异构酶；以及中康酸脱羧酶； (g)柠苹酰-Cok裂解酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成)；以及中康酸脱羧酶； (h)柠苹酰-CoA裂解酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成)；柠康酸异构酶；以及柠康酸脱羧酶； (i)乌头酸脱羧酶、衣康酸异构酶以及柠康酸脱羧酶； (j)乌头酸脱羧酶、衣康酸异构酶、柠康酸异构酶以及中康酸脱羧酶； (k)乌头酸脱羧酶；衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-CoA脱水酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)；以及柠康酸脱羧酶； (l)乌头酸脱羧酶；衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-CoA脱水酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成);柠康酸异构酶；以及中康酸脱羧酶； (M)乌头酸脱羧酶；衣康酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-Cok脱水酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成)；以及中康酸脱羧酶； (n)乌头酸脱羧酶；衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-CoA脱水酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成);柠康酸异构酶；以及柠康酸脱羧酶； (ο) 3-羟基异丁酸酯脱水酶； (P)甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-羟基异丁酸酯脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶； (q)甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA表异构酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-羟基异丁酸酯脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶； (R)甲基丙二酰基-CoA变位酶、醇/醛脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶； (S)甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA表异构酶、醇/醛脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶； (t)甲基丙二酰基-Cok变位酶、甲基丙二酰基-Cok还原酶、3-氨基-2-甲基丙酸转氨酶以及3-氨基-2-甲基丙酸氨裂解酶； (U)甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA表异构酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-氨基-2-甲基丙酸转氨酶以及3-氨基-2-甲基丙酸氨裂解酶； (V >4-羟基丁酰基-Cok变位酶；3_羟基异丁酰基-Cok合成酶或3-羟基异丁酰基-Cok水解酶或3-羟基异丁酰基-Co A转移酶；以及3-羟基异丁酸酯脱水酶； (w)天冬氨酸氨基转移酶、谷氨酸变位酶、3-甲基天冬氨酸酶以及中康酸脱羧酶； (x)a-酮戊二酸还原酶、2-羟基谷氨酸变位酶、3-甲基苹果酸脱水酶以及中康酸脱羧酶； (y)乙酰乙酰基-Cok硫解酶；乙酰乙酰基-Cok还原酶；3-羟基丁酰基-Cok变位酶；2-羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA转移酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA合成酶； (z)乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-CoA还原酶；3-羟基丁酰基-CoA变位酶；2-羟基异丁酰基-CoA脱水酶；烯酰基-CoA水合酶；以及3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA合成酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶；以及3-羟基异丁酸酯脱水酶； (aa) 4-羟基丁酰基-CoA脱水酶；乙烯乙酰基-CoA Λ -异构酶；巴豆酸酶；3_羟基丁酰基-CoA变位酶；2_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA转移酶的任何一种； (bb)4-羟基丁酰基-CoA变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA转移酶； (cc)乙酰乙酰基-Cok硫解酶；乙酰乙酰基-Cok还原酶；巴豆酸酶；丁酰基-Cok脱氢酶；异丁酰基-CoA变位酶；异丁酰基-CoA脱氢酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-Cok水解酶或异丁烯酰基-Cok转移酶； (dd )乳酸脱氢酶、乳酸-Cok转移酶、乳酰基-Cok脱水酶、酰基-Cok脱氢酶、丙酰基-CoA羧化酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-羟基异丁酸酯脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶； (ee)缬氨酸氨基转移酶；2_酮异戊酸脱氢酶；异丁酰基-CoA脱氢酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA转移酶；(ff)乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-CoA还原酶；巴豆酸酶；4_羟基丁酰基-CoA脱水酶；4_羟基丁酰基-CoA变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA合成酶或3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶；以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；以及 (gg)乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-CoA还原酶；巴豆酸酶；4_羟基丁酰基-CoA脱水酶；4_羟基丁酰基-CoA变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA转移酶。
12.—种非天然存在的微生物，其具有甲基丙烯酸途径，所述微生物包含编码甲基丙烯酸途径酶的以足以生产甲基丙烯酸的量表达的至少一种外源性核酸；所述非天然存在的微生物进一步包含: (i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；或可选地选自异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶、柠檬酰基-CoA合成酶或柠檬酰基-CoA裂解酶； (ii)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶以及H2氢化酶；或者 (iii)编码选自如下酶的至少一种外源性核酸:C0脱氢酶；H2氢化酶；及其组合； 其中，所述甲基丙烯酸途径包含选自如下的途径: Ca)柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)以及柠康酸脱羧酶； (b)柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)、柠康酸异构酶以及中康酸脱羧酶； (c)柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(中康酸形成)、柠康酸异构酶以及柠康酸脱羧酶； Cd)柠苹酸合酶、柠苹酸脱水酶(中康酸形成)以及中康酸脱羧酶； (e)柠苹酰-CqA裂解酶；柠苹酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)；以及柠康酸脱羧酶； (f)柠苹酰-CqA裂解酶；柠苹酰-CqA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)；柠康酸异构酶；以及中康酸脱羧酶； (g)柠苹酰-CoA裂解酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成)；以及中康酸脱羧酶； (h)柠苹酰-Cok裂解酶；柠苹酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成)；柠康酸异构酶；以及柠康酸脱羧酶； (i)乌头酸脱羧酶、衣康酸异构酶以及柠康酸脱羧酶； (j)乌头酸脱羧酶、衣康酸异构酶、柠康酸异构酶以及中康酸脱羧酶； (k)乌头酸脱羧酶；衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-CoA脱水酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成)；以及柠康酸脱羧酶； (I)乌头酸脱羧酶；衣康酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-CoA脱水酶；柠苹酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(柠康酸形成);柠康酸异构酶；以及中康酸脱羧酶； (M)乌头酸脱羧酶；衣康酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-Cok脱水酶；柠苹酰-CoA转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成)；以及中康酸脱羧酶；(η)乌头酸脱羧酶；衣康酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酰-Cok脱水酶；柠苹酰-Cok转移酶、合成酶或水解酶；柠苹酸脱水酶(中康酸形成);柠康酸异构酶；以及柠康酸脱羧酶； (ο) 3-羟基异丁酸酯脱水酶； (P)甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-羟基异丁酸酯脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶； (q)甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA表异构酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-羟基异丁酸酯脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶； (R)甲基丙二酰基-CoA变位酶、醇/醛脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶； (S)甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA表异构酶、醇/醛脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶； (t)甲基丙二酰基-Cok变位酶、甲基丙二酰基-Cok还原酶、3-氨基-2-甲基丙酸转氨酶以及3-氨基-2-甲基丙酸氨裂解酶； (U)甲基丙二酰基-CoA变位酶、甲基丙二酰基-CoA表异构酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-氨基-2-甲基丙酸转氨酶以及3-氨基-2-甲基丙酸氨裂解酶； (V >4-羟基丁酰基-Cok变位酶；3_羟基异丁酰基-Cok合成酶或3-羟基异丁酰基-Cok水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA转 移酶；以及3-羟基异丁酸酯脱水酶； (w)天冬氨酸氨基转移酶、谷氨酸变位酶、3-甲基天冬氨酸酶以及中康酸脱羧酶； (x)a-酮戊二酸还原酶、2-羟基谷氨酸变位酶、3-甲基苹果酸脱水酶以及中康酸脱羧酶； (y)乙酰乙酰基-Cok硫解酶；乙酰乙酰基-Cok还原酶；3_羟基丁酰基-Cok变位酶；2-羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA转移酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA合成酶； (z)乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-CoA还原酶；3-羟基丁酰基-CoA变位酶；2-羟基异丁酰基-CoA脱水酶；烯酰基-CoA水合酶；以及3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA合成酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶；以及3-羟基异丁酸酯脱水酶； (aa) 4-羟基丁酰基-CoA脱水酶；乙烯乙酰基-CoA Λ -异构酶；巴豆酸酶；3_羟基丁酰基-CoA变位酶；2_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA转移酶的任何一种； (bb)4-羟基丁酰基-CoA变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA转移酶； (cc)乙酰乙酰基-Cok硫解酶；乙酰乙酰基-Cok还原酶；巴豆酸酶；丁酰基-Cok脱氢酶；异丁酰基-CoA变位酶；异丁酰基-CoA脱氢酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-Cok水解酶或异丁烯酰基-Cok转移酶； (dd)乳酸脱氢酶、乳酸-CoA转移酶、乳酰基-Cok脱水酶、酰基-Cok脱氢酶、丙酰基-CoA羧化酶、甲基丙二酰基-CoA还原酶、3-羟基异丁酸酯脱氢酶以及3-羟基异丁酸酯脱水酶； (ee)缬氨酸氨基转移酶；2_酮异戊酸脱氢酶；异丁酰基-CoA脱氢酶；以及异丁烯酰基-Cok合成酶或异丁烯酰基-Cok水解酶或异丁烯酰基-Cok转移酶； (ff)乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-CoA还原酶；巴豆酸酶；4_羟基丁酰基-CoA脱水酶；4_羟基丁酰基-CoA变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA合成酶或3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶；以及3-羟基异丁酸酯脱水酶；以及 (gg)乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-CoA还原酶；巴豆酸酶；4_羟基丁酰基-CoA脱水酶；4_羟基丁酰基-CoA变位酶；3_羟基异丁酰基-CoA脱水酶；以及异丁烯酰基-CoA合成酶或异丁烯酰基-CoA水解酶或异丁烯酰基-CoA转移酶。
13.权利要求12所述的非天然存在的微生物，其中，所述微生物包含两种、三种、四种、五种、六种或七种外源性核酸，每种均编码甲基丙烯酸途径酶。
14.权利要求13所述的非天然存在的微生物，其中，所述微生物包含编码选自(a)- (gg)的至少一种途径的每种酶的外源性核酸。
15.一种非天然存在的微生物，其具有2-羟基异丁酸途径，所述微生物包含编码2-羟基异丁酸途径酶的以足以生产2-羟基异丁酸的量表达的至少一种外源性核酸；所述非天然存在的微生物进一步包含: (i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；或可选地选自异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶、柠檬酰基-CoA合成酶或柠檬酰基-CoA裂解酶； (ii)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶以及H2氢化酶；或者 (iii)编码选自如下酶的至少一种外源性核酸:C0脱氢酶；H2氢化酶；及其组合； 其中，所述2-羟基异丁酸途径包含选自如下的途径: (a)乙酰乙酰基-CoA硫解酶；乙酰乙酰基-CoA还原酶；3-羟基丁酰基-CoA变位酶；以及2-羟基异丁酰基-CoA转移酶或2-羟基异丁酰基-CoA水解酶或2-羟基异丁酰基-CoA合成酶；以及 (b)4-羟基丁酰基-Cok脱水酶；乙烯乙酰基-Cok Δ -异构酶；巴豆酸酶；3_羟基丁酰基-CoA变位酶；以及2-羟基异丁酰基-CoA水解酶或2-羟基异丁酰基-CoA合成酶或2-羟基异丁酰基-CoA转移酶的任何一种。
16.权利要求15所述的非天然存在的微生物，其中，所述微生物包含两种、三种、四种或五种外源性核酸，每种均编码甲基丙烯酸途径酶。
17.权利要求15所述的非天然存在的微生物，其中，所述微生物包含编码选自(a)-(b)的至少一种途径的每种酶的外源性核酸。
18.一种非天然存在的微生物，其具有3-羟基异丁酸途径，所述微生物包含编码3-羟基异丁酸途径酶的以足以生产3-羟基异丁酸的量表达的至少一种外源性核酸；所述非天然存在的微生物进一步包含: (i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；或可选地选自异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶、柠檬酰基-CoA合成酶或柠檬酰基-Cok裂解酶； (ii) 包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶以及H2氢化酶；或者 (iii)编码选自如下酶的至少一种外源性核酸:C0脱氢酶；H2氢化酶；及其组合； 其中所述3-羟基异丁酸途径包含选自如下的途径: (a)4-羟基丁酰基-CoA变位酶；以及 (b)4-羟基丁酰基-CoA变位酶以及3-羟基异丁酰基-CoA合成酶或3-羟基异丁酰基-CoA水解酶或3-羟基异丁酰基-CoA转移酶。
19.权利要求18所述的非天然存在的微生物，其中，所述微生物包含两种外源性核酸，每种均编码甲基丙烯酸途径酶。
20.权利要求18所述的非天然存在的微生物，其中，所述微生物包含编码选自(a)-(b)的至少一种途径的每种酶的外源性核酸。
21.一种非天然存在的微生物，其具有3-羟基异丁酰基-CoA途径，所述微生物包含编码3-羟基异丁酸途径酶的以足以生产3-羟基异丁酸的量表达的至少一种外源性核酸；所述非天然存在的微生物进一步包含: (i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；或可选地选自异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶、柠檬酰基-CoA合成酶或柠檬酰基-CoA裂解酶； (ii)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶以及H2氢化酶；或者 (iii)编码选自如下酶的至少一种外源性核酸:C0脱氢酶；H2氢化酶；及其组合； 其中所述3-羟基异丁酰基-Cok途径包含4-羟基丁酰基-Cok变位酶。
22.—种非天然存在的微生物，其具有甲基丙烯酸酯类途径，所述微生物包含包含编码甲基丙烯酸酯类途径酶的以足以生产甲基丙烯酸酯类的量表达的至少一种外源性核酸，所述甲基丙烯酸酯类途径包含醇转移酶或酯形成酶以及脱水酶。
23.权利要求22所述的非天然存在的微生物，其中，所述微生物包含两种外源性核酸，每种均编码甲基丙烯酸酯类途径酶。
24.权利要求22所述的非天然存在的微生物，其中，所述两种外源性核酸编码醇转移酶以及脱水酶或或酯形成酶和脱水酶。
25.权利要求22所述的非天然存在的微生物，其中，所述脱水酶将3-羟基异丁酸酯或2-羟基异丁酸酯转化为所述甲基丙烯酸酯类；或者，其中所述醇转移酶将3-羟基异丁酰基-CoA转化为3-羟基异丁酸酯或将2-羟基异丁酰基-CoA转化为2-羟基异丁酸酯。
26.权利要求22所述的非天然存在的微生物，其中，所述微生物包括包含如下的甲基丙烯酸酯类途径: (a)3-羟基异丁酸酯-CoA转移酶或3-羟基异丁酸酯-CoA合成酶；醇转移酶；以及脱水酶；(b)3-羟基异丁酸酯形成酶和脱水酶； (c)2-羟基异丁酸酯-CoA转移酶或2-羟基异丁酸酯-CoA合成酶；醇转移酶；以及脱水酶；或 Cd) 2-羟基异丁酸酯形成酶和脱水酶。
27.一种非天然存在的微生物，其具有甲基丙烯酸甲酯途径，所述微生物包含编码甲基丙烯酸甲酯途径酶的以足以生产甲基丙烯酸甲酯的量表达的至少一种外源性核酸，所述甲基丙烯酸甲酯途径包含醇转移酶或酯形成酶以及脱水酶。
28.权利要求27所述的非天然存在的微生物，其中，所述微生物包含两种外源性核酸，每种均编码甲基丙烯酸甲酯途径酶。
29.权利要求27所述的非天然存在的微生物，其中，所述两种外源性核酸编码醇转移酶以及脱水酶或酯形成酶和脱水酶。
30.权利要求7-11以及21-29中任一项所述的非天然存在的微生物，进一步包含: (i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；或可选地选自异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶、柠檬酰基-CoA合成酶或柠檬酰基-CoA裂解酶； (ii)包含编码还原TCA途 径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶以及H2氢化酶；或者 (iii)编码选自如下酶的至少一种外源性核酸:C0脱氢酶；H2氢化酶；及其组合。
31.权利要求12、15、18、21或30中任一项所述的非天然存在的微生物，其中，包含(i)的所述微生物进一步包含编码选自如下酶的外源性核酸:丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；乌头酸酶；异柠檬酸脱氢酶；琥珀酰-CoA合成酶；琥珀酰-Cok转移酶；富马酸酶；苹果酸脱氢酶；醋酸激酶；磷酸转乙酰基酶；乙酰基-CoA合成酶；NAD(P)H:铁氧还蛋白氧化还原酶；铁氧还蛋白；及其组合。
32.权利要求12、15、18、21或30中任一项所述的非天然存在的微生物，其中，包含(ii)的所述微生物进一步包含编码选自如下酶的外源性核酸:乌头酸酶；异柠檬酸脱氢酶；琥珀酰-Cok合成酶；琥珀酰-Cok转移酶；富马酸酶；苹果酸脱氢酶；及其组合。
33.权利要求12、15、18、21或30中任一项所述的非天然存在的微生物，其中，所述微生物包含两种、三种、四种或五种外源性核酸，每种均编码或(iii)的酶。
34.权利要求12、15、18、21或30中任一项所述的非天然存在的微生物，其中，包含(i)的所述微生物包含编码ATP-柠檬酸裂解酶或柠檬酸裂解酶、富马酸还原酶以及α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶的三种外源性核酸；其中包含(ii)的所述微生物包含编码丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶或磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶；以及H2氢化酶的四种外源性核酸；或者，其中包含(iii)的所述微生物包含编码CO脱氢酶以及H2氢化酶的两种外源性核酸。
35.权利要求1-34中任一项所述的非天然存在的微生物，其中，所述至少一种外源性核酸是异源性核酸，或者其中所述非天然存在的微生物在基本上厌氧的培养基中。
36.一种用于生产甲基丙烯酸酯类的方法，该方法包含在各种条件下以及在足以生产3-羟基异丁酸酯、2-羟基异丁酸酯或甲基-3-羟基异丁酸酯这么长的时间内培养一种非天然存在的微生物，其中所述非天然存在的微生物包含以足以生产3-羟基异丁酸酯、2-羟基异丁酸酯或甲基-3-羟基异丁酸酯的量表达的编码醇转移酶；或3-羟基异丁酸酯形成酶、2-羟基异丁酸酯形成酶或甲基-3-羟基异丁酸酯形成酶的外源性核酸，以及将所述3-羟基异丁酸酯或2-羟基异丁酸酯化学脱水以生产甲基丙烯酸酯类或将所述甲基-3-羟基异丁酸酯化学脱水以生产甲基丙烯酸甲酯。
37.权利要求36所述的方法，其中，所述微生物包含: 包含如下的3-羟基异丁酸酯途径: (a)3-羟基异丁酸酯-CoA转移酶或3-羟基异丁酸酯-CoA合成酶； 以及醇转移酶；或者 (b)3-羟基异丁酸酯形成酶；或者 包含如下的2-羟基异丁酸酯途径: (a)2-羟基异丁酸酯-CoA转移酶或2-羟基异丁酸酯-CoA合成酶； 以及醇转移酶；或者 (b)2-羟基异丁酸酯 形成酶。
38.一种用于生产甲基丙烯酸酯类的方法，所述方法包含在各种条件下以及在足以生产3-羟基异丁酸酯、2-羟基异丁酸酯或甲基-3-羟基异丁酸酯这么长的时间内培养一种非天然存在的微生物，其中所述非天然存在的微生物包含以足以生产3-羟基异丁酸酯、2-羟基异丁酸酯或甲基-3-羟基异丁酸酯的量表达的编码醇转移酶；或3-羟基异丁酸酯形成酶、2-羟基异丁酸酯形成酶或甲基-3-羟基异丁酸酯形成酶的外源性核酸，以及所述非天然存在的微生物进一步包含: (i)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自ATP-柠檬酸裂解酶；柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α -酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；或可选地选自异柠檬酸脱氢酶、乌头酸酶、柠檬酰基-CoA合成酶或柠檬酰基-CoA裂解酶； (ii)包含编码还原TCA途径酶的至少一种外源性核酸的还原TCA途径，其中所述至少一种外源性核酸选自丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶；磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶以及H2氢化酶；或者 (iii)编码选自如下酶的至少一种外源性核酸:C0脱氢酶；H2氢化酶；及其组合，以及 将所述3-羟基异丁酸酯或2-羟基异丁酸酯化学脱水以生产甲基丙烯酸酯类；或将所述甲基-3-羟基异丁酸酯化学脱水以生产甲基丙烯酸甲酯。
39.权利要求38所述的方法，其中，所述微生物包含: 包含如下的3-羟基异丁酸酯途径: (a)3-羟基异丁酸酯-CoA转移酶或3-羟基异丁酸酯-CoA合成酶；以及醇转移酶；或者 (b)3-羟基异丁酸酯形成酶；或者 包含如下的2-羟基异丁酸酯途径: (a)2-羟基异丁酸酯-CoA转移酶或2-羟基异丁酸酯-CoA合成酶；以及醇转移酶；或者(b)2-羟基异丁酸酯形成酶。
40.权利要求38-39中任一项的所述方法，其中，包含(i)的所述微生物进一步包含编码选自如下酶的外源性核酸:丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；乌头酸酶；异柠檬酸脱氢酶；琥珀酰-Cok合成酶；琥珀酰-Cok转移酶；富马酸酶；苹果酸脱氢酶；醋酸激酶；磷酸转乙酰基酶；乙酰基-CoA合成酶；NAD(P)H:铁氧还蛋白氧化还原酶；铁氧还蛋白；及其组合。
41.权利要求38-39中任一项的所述方法，其中，包含(ii)的所述微生物进一步包含编码选自如下酶的外源性核酸:乌头酸酶；异柠檬酸脱氢酶；琥珀酰-CoA合成酶；琥珀酰-CoA转移酶；富马酸酶；苹果酸脱氢酶；及其组合。
42.权利要求38-39中任一项的所述方法，其中，包含(i)的所述微生物包含编码ATP-柠檬酸裂解酶或柠檬酸裂解酶；富马酸还原酶；以及α-酮戊二酸:铁氧还蛋白氧化还原酶的三种外源性核酸； 其中，包含(ii)的所述微生物包含编码丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶；磷酸烯醇丙酮酸羧化酶或磷酸烯醇丙酮酸羧激酶；C0脱氢酶；以及H2氢化酶的四种外源性核酸；或者 其中包含(iii)的所述微生物包含编码CO脱氢酶以及H2氢化酶的两种外源性核酸。
43.一种用于生产甲基丙烯酸的方法，包含在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸这么长的时间内培养权利要求1-6、12-14或30-35中任一项所述的非天然存在的微生物。
44.一种用于生产甲基丙烯酸酯类的方法，包含在各种条件下以及在足以生产甲基丙烯酸酯类这么长的时间内培养权利要求7-11、22-29或30-35中任一项所述的非天然存在的微生物。
45.一种用于生产2-羟基异丁酸、3-羟基异丁酸或3-羟基异丁酰基-CoA的方法，包含在各种条件下以及在足以生产2-羟基异丁酸、3-羟基异丁酸或3-羟基异丁酰基-CoA这么长的时间内培养权利要求15-21或30-35中任一项所述的非天然存在的微生物。
46.权利要求36-45中任一项的方法，其中，所述外源性核酸的至少一种是异源性核酸；或者，其中所述非天然存在的微生物在基本上厌氧的培养基中。
【文档编号】C12P7/52GK103930558SQ201280026997
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年3月30日 优先权日:2011年4月1日
【发明者】M·J·伯克, A·P·博加德, 罗宾·E·奥斯特豪特, 孙军, 普里蒂·法克雅 申请人:基因组股份公司