"C5ケト酸もしくはエステル、またはC5ヒドロキシ酸もしくはエステル、またはこれらの環状誘導体である化合物を産生するための方法であって、アルドール付加によってピルベートをC5中間体へ転換するステップと、化学工程または酵素工程またはこれらの組み合わせによって前記C5中間体を前記化合物へ転換するステップとを含む方法。前記ピルベートが、1つまたは複数のC6糖を含む炭素源から産生される、請求項1に記載の方法。前記C6糖が、アロース、アルトロース、グルコース、マンノース、グロース、イドース、タロース、ガラクトース、フルクトース、プシコース、ソルボースおよびタガトースのうちの1つまたは複数である、請求項2に記載の方法。前記ピルベートが、1つまたは複数のC5糖を含む炭素源から産生される、請求項1に記載の方法。前記C5糖が、キシロース、アラビノース、リボース、リキソース、キシルロースおよびリブロースのうちの1つまたは複数である、請求項4に記載の方法。前記炭素源が、グリセロール、脂肪酸、およびアミノ酸のうちの1つまたは複数を含む、請求項2~5のいずれか一項に記載の方法。前記ピルベートが、バイオマス、デンプン、セルロースおよび/またはリグノセルロース原料のうちの1つまたは複数を含む原料の発酵から産生される、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。前記リグノセルロース原料が、トウモロコシ、木、都市廃棄物、ならびにパルプおよび製紙工場スラッジのうちの1つまたは複数を含む、請求項7に記載の方法。前記ピルベートが、少なくともある程度、微生物系における解糖系によって産生される、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。前記ピルベートへのアルドール付加が、真核生物、原核生物、または古細菌発酵宿主において生じる、請求項9に記載の方法。前記発酵宿主が、サッカロミセス種Saccharamycessp.、ピキア種、シュードモナス種、バチルス種、クリソスポリウム種、または大腸菌Escherichiacoliである、請求項9または10に記載の方法。前記ピルベートまたはアルドール付加産物が発酵宿主から回収され、無細胞系において、C5ケト酸もしくはエステル、またはC5ヒドロキシ酸もしくはエステル、またはこれらの環状誘導体である化合物へ転換される、請求項11に記載の方法。前記アルドール付加産物が、還元、酸化、脱水、基の転移、加水分解およびラクトン化から選択される1つまたは複数の酵素工程によって無細胞系で前記化合物へ転換される、請求項12に記載の方法。前記C5中間体が4-ヒドロキシ2-オキソ-ペンタン酸である、請求項1~13のいずれか一項に記載の方法。前記C5中間体が、アセチルアルデヒドのアルドール付加によってピルベートから産生される、請求項14に記載の方法。前記4-ヒドロキシ2-オキソ-ペンタン酸が2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸へ還元される、請求項14または15に記載の方法。前記4-ヒドロキシ2-オキソ-ペンタン酸が2,4-ジオキソ-ペンタン酸へ酸化される、請求項14または15に記載の方法。前記2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸が2-ヒドロキシ4-オキソペンタン酸へ酸化される、請求項16に記載の方法。前記2,4-ジオキソ-ペンタン酸が2-ヒドロキシ4-オキソペンタン酸へ還元される、請求項17に記載の方法。前記2-ヒドロキシ4-オキソペンタン酸が、デヒドラターゼ反応によって4-オキソ-2-ペンテン酸へ転換される、請求項18または19に記載の方法。前記4-オキソ-2-ペンテン酸がレブリン酸へ還元される、請求項20に記載の方法。前記レブリン酸が4-ヒドロキシペンタン酸へ還元される、請求項21に記載の方法。前記4-ヒドロキシペンタン酸が4-バレロラクトンへ環化される、請求項22に記載の方法。前記2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸が、酸化的脱水によって4-オキソ-2-ペンテン酸へ転換される、請求項16に記載の方法。前記4-オキソ-2-ペンテン酸がレブリン酸へ還元される、請求項24に記載の方法。前記レブリン酸が4-ヒドロキシペンタン酸へ還元される、請求項25に記載の方法。前記4-ヒドロキシペンタン酸が4-バレロラクトンへ環化される、請求項26に記載の方法。前記4-ヒドロキシ2-オキソ-ペンタン酸が2-オキソ4-バレロラクトンへ環化され、場合により、4-バレロラクトンへ転換される、請求項14に記載の方法。前記少なくとも1つの中間体の酸基が補酵素Aチオエステルへ転換される、請求項14~28のいずれか一項に記載の方法。さらに、前記補酵素Aチオエステルからエステルへの転換を含む、請求項29に記載の方法。前記アセチルアルデヒドが、微生物宿主におけるピルベートの脱炭酸によって調製される、請求項15に記載の方法。前記アルドール付加がI型アルドラーゼによって生じる、請求項1~31のいずれか一項に記載の方法。前記アルドラーゼが、大腸菌HKPアルドラーゼ、またはその相同体もしくは突然変異体である、請求項32に記載の方法。前記アルドール付加がII型アルドラーゼによって生じる、請求項1~31のいずれか一項に記載の方法。前記アルドラーゼが、シュードモナスプチダPseudomonasPutidaHpaIアルドラーゼ、またはその相同体もしくは突然変異体である、請求項34に記載の方法。前記アルドラーゼが、バークホルデリアゼノボランスBurkholderiaXenovoransBphIアルドラーゼ、またはその相同体もしくは突然変異体である、請求項34に記載の方法。前記アルドラーゼが宿主発酵生物中で発現される、請求項32~36のいずれか一項に記載の方法。前記化合物がレブリン酸またはそのエステルである、請求項1に記載の方法。前記レブリン酸が1,4ペンタンジオールまたはジフェノール酸へ転換され、これは場合により、重合され得るか、あるいは他のポリマー構成要素と共重合され得る、請求項38に記載の方法。前記レブリン酸またはそのエステルがメチルテトラヒドロフランまたはδ-アミノレブリン酸へ転換され、これは場合により、除草剤組成物中に組み込まれ得る、請求項38に記載の方法。前記レブリン酸またはエステルが、場合により他の高分子構成要素とのコポリマーとして、さらに重合される、請求項38に記載の方法。前記レブリン酸またはそのエステルが、燃料添加剤として、またはプラスチックおよび他のポリマーの製造のためのモノマー/コポリマーとして使用されるケタールへ転換される、請求項38に記載の方法。前記化合物がラクトンである、請求項1に記載の方法。前記ラクトンが4-バレロラクトンである、請求項43に記載の方法。前記4-バレロラクトンが、吉草酸もしくは吉草酸エステル、異性体ブテン、ブタジエン、または少なくとも5個の炭素のアルケンのうちの1つまたは複数へ転換される、請求項44に記載の方法。前記吉草酸、吉草酸エステルまたはアルケンがさらに、化学的または生物学的にアルカンへ還元される、請求項45に記載の方法。前記ラクトンがアンゲリカラクトンである、請求項43に記載の方法。前記ラクトンが2-オキソ-バレロラクトンである、請求項43に記載の方法。前記ラクトンが2-ヒドロキシ-バレロラクトンである、請求項43に記載の方法。前記ラクトンが5-ヒドロキシ-5-メチルジヒドロフラン-23H-オンである、請求項43に記載の方法。前記ラクトンが5-ヒドロキシ-5-メチルフラン-25H-オンである、請求項43に記載の方法。前記ラクトンが、アルファ’-アンゲリカラクトンまたはアルファ-アンゲリカラクトンへ酸化される、請求項43に記載の方法。前記ラクトンがプロトアネモニンへ酸化される、請求項47に記載の方法。前記4-バレロラクトンがホルムアルデヒドと反応されて、メチレンメチルブチロラクトンを生じる、請求項44に記載の方法。前記ラクトンが、場合により他の高分子構成要素とのコポリマーとして、さらに重合される、請求項5~54のいずれか一項に記載の方法。請求項41または55の方法を含む、高分子材料またはポリマー含有産物の製造方法。前記高分子材料がナイロン、ゴム、ポリアクリレートまたはプラスチックである、請求項56に記載の方法。請求項40または42に記載の方法を含む、除草剤または燃料添加剤の製造方法。特定の態様および実施形態では、本発明は、糖またはその他の炭素源から得られるピルベートを、レブリン酸などの有用なC5材料へ転換するための化学的経路を提供する。例示的なC5化合物は、図1および2に示される。糖を炭素源として使用する場合、この経路の鍵は、C6糖例えば、グルコース、フルクトース、ガラクトースなどであるが、これらに限定されないおよび/またはC5糖例えば、キシロース、アラビノースなどであるが、これらに限定されないをピルベートへ転換し、続いて化学的または生化学的なアルドール付加、酸化、還元、脱水および環化反応により、ピルベートを1つまたはいくつかの有用なC5化合物へ転換することである。脂肪酸およびグリセロールなど限定はされないの別の炭素源と共に使用される場合、炭素源はまずピルベートへ転換され、続いて以下の一般式:C5C4XC3C2YC1=OZを有する線状C5ケト酸もしくはエステルまたはこれらの環化誘導体を含む、1つまたはいくつかの有用なC5化合物へ転換される。上記式中、Xはヒドロキシルまたはケトン酸素のいずれかであり、Yは水素、ヒドロキシルまたはケトン酸素のいずれかであり、C3およびC2炭素間の結合は単結合または二重結合例えば、飽和または不飽和のいずれかであり、そしてZはエステル、チオエステルまたはカルボン酸官能基のいずれかを作るようにアルコキシ、スルフィドまたはフェノキシ基である。いくつかの実施形態では、C5化合物はC5C4O1C3C2YC1=OO1であり、式中、指標O1は、環状エステル、またはラクトンが形成されるように同じ酸素原子を指し、Yは水素またはヒドロキシルまたはケトン酸素のいずれかである。全ての他の原子価または結合は、上記でそうでないと示されない限り、水素原子であると考えられる。1つの態様では、本発明は、C5ケト酸もしくはエステル、またはC5ヒドロキシ酸もしくはエステル、またはこれらの環状誘導体である化合物を製造するための方法を提供する。この方法は、アルドール付加によってピルベートをC5中間体へ転換するステップと、化学工程もしくは酵素工程またはこれらの組み合わせによってC5中間体を前記化合物へ転換するステップとを含む。特定の実施形態では、C5化合物は、上記のような一般式C5C4XC3C2YC1=OZまたはC5C4O1C3C2YC1=OO1を有する。特定の実施形態では、化合物は、微生物宿主のための炭素源として適切な5-炭素および/または6-炭素糖または原料から調製される。これらの実施形態では、本方法は、糖または原料からのピルベートの形成例えば、微生物宿主によってと、ピルベートへのアセチルアルデヒドのアルドール付加例えば、微生物宿主または無細胞系においてとを含み、これにより、所望のC5化合物を調製するための中間体として、5-炭素ケト酸が調製される。アルドール付加のためのアセチルアルデヒドは、微生物宿主中でピルベートの脱炭酸によって調製することができる。アルドール付加産物はさらに、1つまたは複数の還元、酸化、脱水、基の転移、加水分解および/またはラクトン化反応を受けて例えば、それぞれ独立して、微生物宿主または無細胞系において、所望のC5産物が調製される。このような産物は、商業的に有用な化学薬品および燃料を調製するための構成要素として使用することができる。例えば、2-オキソ-バレロラクトン図2の化合物L7、2-ヒドロキシ-バレロラクトン図2の化合物L6、アンゲリカラクトン図2の化合物L2、L3およびL10および4-バレロラクトンγ-バレロラクトン、図2の化合物L1などのラクトンは、溶媒として使用することができる。アンゲリカラクトンおよび4-バレロラクトンは、化学的にメチレンメチルブチロラクトンMeMBLへ転換することもできるこの転換を触媒するための方法については、例えば、国際公開第2006/015023号パンフレット、国際公開第2006/015024号パンフレットを参照。メチレンメチルブチロラクトンをモノマーまたはコポリマーとして使用して、エレクトロニクスおよび自動車用途において広く使用されるポリメチルアクリレートPMMAポリマーの熱耐性を増大させる、あるいはポリマー全体を製造するPolyMeMBLなど、例えば国際公開第2005/028529号パンフレットを参照ことができる。さらに、BozellJ.,ConnectingBiomassandpetroleumProcessingwithachemicalbridge,Science329:522-5232010において概説されるように、4-バレロラクトンは、化学触媒作用を用いて、吉草酸そしてさらに吉草酸エステルへ、ならびに異性体ブテン、ブタジエンおよび他のアルケン8個以上の炭素を有するアルケンを含むへ転換され得る。レブリン酸図1の化合物P1は1,4ペンタンジオールおよびジフェノール酸へ転換され得るが、これらはいずれもポリマーを製造するために使用することができる。δ-アミノレブリン酸レブリン酸からの誘導体は、年間300ポンドを超える推定市場を有する除草剤である。さらにまた、レブリン酸は、ピロリドン国際公開第2004/085048号パンフレット、ピロリジノン国際公開第2010/065833号パンフレット、国際公開第2004/085390号パンフレット、国際公開第2004/085349号パンフレット、国際公開第2004/084633号パンフレット、アンゲリカラクトン国際公開第2005/097723号パンフレット、4-バレロラクトンおよび2-メチル-THFへ転換させることができ、これらは最終産物であるか、あるいは、アニオン液国際公開第2010/065833号パンフレット、バイオ燃料および燃料添加剤などの種々の有用性を有する他の化合物へさらに変換され得る。レブリン酸はさらに、電池例えば、特開09190820号公報、インク米国特許第5,769,929号明細書、コーティング特開06280041号公報、防食コーティング欧州特許第496555号明細書のための材料として使用することができる。レブリン酸エステルLevulinicesterまたはlevulinateester、図1の化合物P9は、それ自体が、そしてケタールに変換された後に、ポリマー構成要素であり米国特許出願公開第2008/0242721号明細書、燃料添加剤として使用することもできる参照によってその全体が本明細書に援用される米国特許第7,153,996号明細書に記載される。さらに、レブリン酸エステルは、パーソナルケア製品例えば、特開05320023号公報、界面活性剤および潤滑剤欧州特許第882745号明細書、吸収剤国際公開第1998/9843684号パンフレットを参照において使用することができる。この段落で引用される全ての参考文献は、参照によって本明細書に援用される。レブリン酸、レブリン酸エステル、および図2に記載されるラクトンの一部はいずれも、薬剤活性成分の製造および薬学的用途でも使用することができ、そのうちのいくつかは、BozellJ.,Productionoflevulinicacidanduseasaplatformchemicalforderivedproducts,Resources,ConservationandRecycling28:227-2392000に記載されている。例えば、国際公開第1995/022524号パンフレットには、抗癌剤として使用される新規のインドール誘導体の合成のためのレブリン酸メチルエステルの使用が報告されている。レブリン酸および4-ヒドロキシ-ペンタン酸は、多彩な潜在的用途を有するキラル試薬として使用することができる例えば、Meyersら、Stereoselectivealkylationsinrigidsystems.Effectofremotesubstituentsonp-facialadditionstolactamenolates.Stereoelectronicandstericeffects,J.Am.Chem.Soc.120:7429-74381998年を参照。本発明によって製造されるC5の薬学的用途には、細菌中のクオラムセンシング分子機構をそこで妨害することによる、ブチロラクトンおよびバレロラクトン誘導体の抗生物質および抗バイオフィルム剤としての使用が含まれ得る例えば、欧州特許第1716131号明細書および国際公開第2006/117113号パンフレットを参照。さらなる使用は、生物学的に活性なプロトアネモニン図2の化合物L4から得られる。最後に、レブリン酸およびエステルは、食品、フレーバーおよび香料欧州特許第1533364号明細書ならびに多数の消費者製品の添加剤に使用されている。例えば、レブリン酸は、タバコの添加剤として使用される国際公開第2010/051076号パンフレット。この段落中の全ての参考文献は参照によって本明細書に援用される。本発明の特定の実施形態では、本方法は、ピルベートを4-バレロラクトンへ転換することを含む。別の実施形態では、本方法は、ピルベートをレブリン酸へ転換することを含む。別の実施形態では、本方法は、ピルベートを、レブリン酸エチルおよびレブリン酸プロピルなど限定はされないのレブリン酸エステルレブリネートへ転換することを含む。本発明の別の代替の実施形態では、本方法は、ピルベートをアンゲリカラクトン、アルファ-およびアルファ’-アンゲリカラクトンへ転換することを含む。さらに他の実施形態では、本方法は、ピルベートを2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸またはその環化形態の2-ヒドロキシ-4-バレロラクトンへ転換することを含む。さらに別の実施形態では、本方法は、ピルベートを2-オキソ-4-ヒドロキシ-ペンタン酸またはその環化形態の2-オキソ-4-バレロラクトンへ転換することを含む。本発明のいくつかの実施形態では、本方法は、サッカロミセス種Saccharamycessp.、ピキア種、シュードモナス種、バチルス種、クリソスポリウム種、および大腸菌Escherichiacoliを含むがこれらに限定されない真核生物、原核生物または古細菌発酵宿主において単一の代謝経路に組み込まれた多数の酵素工程を含む。これらおよび他の実施形態では、本方法は、無細胞系において実行される1つまたは複数の酵素工程、または化学触媒作用工程、またはこれらの組み合わせを含み、経路内の種々の中間体は、場合により、プロセスを完了するため必要に応じて発酵ブロスから分離および/または精製される。本発明の特定の実施形態の利点は、中央代謝に基づいていることである。例えば、真核生物、原核生物および古細菌のC5およびC6代謝はいずれも解糖系を使用して、ピルベートを産生することができる。ピルベートは、中央代謝の最も重要な中間体の1つであり、解糖系に加えて、脂質代謝およびアミノ酸代謝から得ることができる。本発明の方法はピルベートを摂取して、2分子のピルベートをレブリン酸および4-バレロラクトンなどの1つのC5分子へ転換する。C6糖の場合、炭素収率は最大80になり得る。C5糖の場合、炭素収率は理論的には100に達し得る。本方法は、改変サッカロミセスセレビシエSaccharomycesCerevisaeおよびピキアスティピティスPichiastipitisなど限定はされないのC5およびC6を同時に発酵させることができる微生物株を使用すると、レブリン酸、4-バレロラクトンまたは図1および図2に示されるC5化合物のいずれかへの糖の直接発酵が可能になる。この達成可能な高収率は、レブリン酸またはガンマ-バレロラクトンを得るための代替の熱化学的方法通常40以下のモル収率を生じると比較したときに、明白な産業的利点を示す。本発明の一実施形態では、本方法は、糖の流れを、図1および2に記載されるC5化合物のうちの1つまたはいくつかへ転換する。別の実施形態では、プロセスの原料としてデンプンが使用される。別の実施形態では、本方法は、リグノセルロース原料トウモロコシ茎葉、木材チップ、都市廃棄物、パルプおよび製紙工場スラッジを含むが、これらに限定されないを、図1および2に記載されるC5化合物のうちの少なくとも1つへ転換する。本発明の一実施形態では、本方法は、好ましくは、サッカロミセスセレビシエSaccharomycescerevisiae、CargillのCB1株国際公開第2007/106524号パンフレットに記載、シュードモナス、クリソスポリウムおよび大腸菌Escherichiacoliなど限定はされないの、C6糖の取込みおよび発酵の効率が高い発酵株において、C6糖を図1および2に記載されるC5化合物のうちの1つまたはいくつかへ転換する。本発明の別の実施形態では、本方法は、好ましくは、改変サッカロミセスセレビシエSaccharomycescerevisiaeおよびピキアスティピティスPichiastipitisなど限定はされないの、C5糖の取込みおよび発酵の効率が高い発酵株において、C5糖を図1および2に記載されるC5化合物の1つまたはいくつかへ転換する。本発明の実施形態では、本方法は、好ましくは、C5およびC6糖の両方の取込みおよび発酵の効率が高い発酵株例えば、サッカロミセスセレビシエSaccharomycescerevisiaeにおいて、C5およびC6糖を同時にC5化合物へ転換する。本発明の別の実施形態では、発酵株は、フランなど限定はされないのバイオマス加水分解物抑制剤と、低pHまたは高有機酸価の培地とに対する高レベルの耐性を示す。特定の実施形態では、原料は、アロース、アルトロース、グルコース、マンノース、グロース、イドース、タロース、ガラクトース、フルクトース、プシコース、ソルボース、およびタガトースから選択される1つまたは複数のC6糖を含む。これらまたは他の実施形態では、原料は、キシロース、アラビノース、リボース、リキソース、キシルロース、およびリブロースから選択される1つまたは複数のC5糖を含む。C5およびC6糖を4-ヒドロキシ-ペンタン酸または4-バレロラクトンへ転換するために本発明の方法が使用される場合、経路は、レドックス還元-酸化バランスが取られるように設計される:解糖系の中で2還元当量NADPHの形成が生じてピルベートがもたらされ1つのグルコース分子が2つのピルベート分子へ、ピルベートから4-ヒドロキシ-ペンタン酸または4-バレロラクトンγ-バレロラクトンへの下流プロセスによって、2還元当量が消費されるNADPの形成。これらの2つの分子の産生のためにこの経路のレドックスバランスが取られているという事実は、発酵プロセスの場合に最適化された転換をもたらし、不均衡を相殺するために発酵宿主をさらに操作する必要性を低減または除去するであろう。他の化合物または構成要素の全て図1へ糖を直接的に発酵させるためには、発酵宿主は、経路のバランスを取るための別の副反応、あるいは経路のバランスを取るために適したレドックス当量の外部供給源に依存するであろう。特定の態様および実施形態では、本発明は、糖またはその他の炭素源から得られるピルベートを、レブリン酸などの有用なC5材料へ転換するための化学的経路を提供する。概念的に、本発明の方法は、少なくとも2段階、いくつかの実施形態では、4~8段階、例えば7~8段階図3に示される中心の8つのステップを参照に構築される経路を提供し、経路に沿って得られる中間体の最大4つの付加的な環化ステップを有する。多数の段階の中間体を補酵素ACoA部分に付着させると、経路は、レブリニル-CoAなどのCoA中間体を導くことができる図6を参照。さらに、4つの任意選択的なステップは、経路中の重要な中間体の環化変異体を導くことができる再度図6を参照。種々の実施形態によると、第1のステップは、糖バイオマスなどに由来をピルベートへ転換する解糖系であるか、あるいは糖からピルベートへの任意の化学的変換である。第2のステップは、2分子のピルベートを1分子の4-ヒドロキシ2-オキソ-ペンタン酸およびCO2へ転換する。任意選択的な環化ステップは、対応するラクトンの2-オキソ-4-バレロラクトンを生じる。任意選択的なCoA付着ステップは、4-ヒドロキシ-2-オキソペンタノイル-CoAをもたらすことができる。第3のステップは、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸を2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸へ、あるいは4-ヒドロキシ-2-オキソペンタノイル-CoAを2,4-ジヒドロキシ-ペンタノイル-CoAへ、あるいは2-オキソ-4-バレロラクトンを2-ヒドロキシ-4-バレロラクトンへ還元する。任意選択的な環化ステップは、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸または2,4-ジヒドロキシ-ペンタノイル-CoAのいずれかから、対応するラクトンの2-ヒドロキシ-4-バレロラクトンを生じる。任意選択的なCoA付着ステップは、2,4-ジヒドロキシペンタン酸から、2,4-ジヒドロキシペンタノイル-CoAをもたらす。第4のステップは、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸を2-ヒドロキシ-4-オキソ-ペンタン酸へ、あるいは2,4-ジヒドロキシ-ペンタノイル-CoAを2-ヒドロキシ-4-オキソ-ペンタノイル-CoAへ酸化する。任意選択的なCoA付着ステップは、2-ヒドロキシ-4-オキソ-ペンタン酸を2-ヒドロキシ-4-オキソペンタノイル-CoAへ転換する。第5のステップは、2-ヒドロキシ-4-オキソ-ペンタン酸を4-オキソ-2-ペンテン酸へ、あるいは2-ヒドロキシ-4-オキソ-ペンタノイル-CoAを4-オキソ-2-ペンテノイル-CoAへ脱水する。任意選択的なCoA付着ステップは、4-オキソ-2-ペンテン酸を4-オキソ-2-ペンテノイル-CoAへ転換する。任意選択的なステップは、4-オキソ-2-ペンテン酸を4-ヒドロキシ-2-ペンテン酸へ、あるいは4-オキソ-2-ペンテン酸を4-ヒドロキシ-2-ペンテノイル-CoAへさらに還元し、これらはいずれも、場合により環化されてアンゲリカラクトンを生じ得る。別の任意選択的なCoA付着ステップは、4-ヒドロキシ-2-ペンテン酸から4-ヒドロキシ-2-ペンテノイル-CoAをもたらし、これもやはり場合により環化されてアンゲリカラクトンを生じ得る。本発明の代替の実施形態は、第4および第5のステップを単一のステップに崩壊させるcollapse。第6のステップは、上記と同様の方法で、4-オキソ-2-ペンテン酸の還元によってレブリン酸4-ヒドロキシ-ペンタン酸を生成する。任意選択的なステップは、補酵素ACoAをレブリン酸に付着させ、レブリニル-CoAが得られる。次に、レブリニル-CoAは、適切なアルコールと反応するトランスフェラーゼの使用により、様々なレブリン酸エステルへ変換され得る。いくつかの実施形態では、第7のステップはレブリン酸をさらに還元して、4-ヒドロキシ-ペンタン酸を生じる。第8のステップは4-ヒドロキシ-ペンタン酸を環化して、4-バレロラクトンを生成する。特定の実施形態では、ステップ4および5は、単一の変換である酸化的脱水において実行することができる。本発明の別の実施形態では、ステップ3および4は、2-ヒドロキシ-4-オキソ-ペンタン酸がまず2,4-ジオキソ-ペンタン酸へ酸化され、さらに2-オキソ-4-ヒドロキシ-ペンタン酸へ還元されるように順序が反対にされ、図3の経路は図4に表される経路になる。本発明の別の実施形態では、ステップ3、5および6図3は、それぞれのラクトンL1、L2、L6、L7、L8、L9およびL10において直接実行され、この場合、図6に記載される環化ステップのいずれか1つにおいて,ピルベートおよびアセトアルデヒドから最初に産生される直鎖中間体からの分枝が生じる。本発明のこの実施形態を用いて、ラクトンを直接得るか、あるいは加水分解の後に、化合物P1~P16レブリン酸を含むのいずれかを取り戻すことができる。本発明のさらに別の態様では、ステップ2、3、4、5および6図3は、CoA中間体において実行され、この場合、図6の段落に記載されるCoA付着ステップのいずれか1つにおいて、ピルベートおよびアセトアルデヒドから最初に産生される直鎖中間体からの分枝が生じる。本発明のこの実施形態を用いて、チオエステラーゼの使用により化合物P1~P16レブリン酸を含むのいずれかを得ることができる。レブリン酸エステルP9は、トランスフェラーゼの使用によって、レブリニル-CoAおよび適切なアルコールから得ることができる。ステップ1:糖からピルベートへの転換糖からピルベートへの転換は、十分に研究された代謝経路である解糖系の一部である。解糖系では、多数の酵素の作用の結果、グルコースなどのC6糖の各分子が、2分子のピルベート、2分子のATP、および2つのNADPH分子の形態の2還元当量へ転換される。本発明の一実施形態では、ピルベートは発酵生物の解糖系から得られ、続いて、発酵宿主の下流経路で使用される。代替の実施形態では、ピルベートは発酵ブロスから分離され、続いて下流経路に従って処理される。ステップ2:ピルベートから4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸への転換4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸は、アセトアルデヒドアルデヒドのピルベートαケト酸へのアルドール付加によって生成することができる。付加は、1当量のアセトアルデヒドを1当量のピルベートと反応させる。アセチルアデヒドは、種々の方法で得ることができる。例えば、ピルビン酸デカルボキシラーゼは、ピルベートからアセトアルデヒドへの非酸化的脱炭酸を触媒する。従って、多数の真核生物または原核生物源例えば、サッカロミセスセレビシエSaccharomcyescerevisiaeからのピルビン酸デカルボキシラーゼを使用することができる。本発明の好ましい実施形態では、アセチルアデヒドは、酵素ピルビン酸デカルボキシラーゼを用いてピルベートから生成される。ピルベートとアセトアルデヒドとの間のアルドール付加を触媒することが示されている多数のアルドラーゼが単離されている。I型アルドラーゼの4-ヒドロキシ-2-ケト-ペンタン酸アルドラーゼHKPアルドラーゼは、Schiff塩基リジンを用いるアルドラーゼであり、正および逆反応を触媒する。本発明の一実施形態では、ピルベートとアセトアルデヒドとの間のアルドール付加は、Pollard,JRら,Substrateselectivityandbiochemicalpropertiesof4-hydroxy-2-keto-pentanoicacidaldolasefromE.Coli,Appl.AndEnviron.Microbiology,6410:4093-40941998年に記載される大腸菌からのHKPアルドラーゼ、またはその相同体、またはその突然変異体これらの突然変異体は、場合により、コンピュータによる設計、定向進化技術もしくは合理的な変異誘発、またはこれらの組み合わせを用いるタンパク質工学により得られるによって触媒される。コンピュータによる設計技術は、米国特許出願公開第2009-0191607号明細書および国際公開第2010/077470号パンフレットに開示されており、これらは参照によってその全体が本明細書に援用される。少なくとも2つのII型アルドラーゼがピルベートとアセトアルデヒドとの間の付加を触媒することが知られており、2つBphIおよびHpaIは、WangWら,Comparisonoftwometal-dependentpyruvatealdolasesrelatedbyconvergentevolution:substratespecificity,kineticmechanismandsubstratechanneling,Biochemistry,49:3774-37822010年においてある程度詳細に特徴付けられている。これらの酵素は金属補助因子ZnまたはMnのいずれかが一般的であるを用いる。BphIおよびHpaIは、検出可能な配列類似性を共有しない。BphIは立体選択的であり、4S付加物をもたらすが、HpaIは、その非常に開放性の活性部位のために、ラセミ混合物4Rおよび4S付加物を生じる。BphIは、アセトアルデヒドデヒドロゲナーゼのBphJにアロステリックに結合され、単離されて発現されると活性および安定ではない。しかしながら、HpaIは大腸菌において自然に発現可能であり、活性を示す。本発明の代替の実施形態では、ピルベートとアセトアルデヒドとの間のアルドール付加は、HpaIもしくはBphI、またはこれらの突然変異体これらの突然変異体は、場合により、コンピュータによる設計、定向進化技術もしくは合理的な変異誘発、または3つの組み合わせを用いるタンパク質工学により得られるによって触媒される。拡張として、任意の適切なピルビン酸アルドラーゼおよびアルデヒドのケトンへのアルドール付加を触媒する他の同様のアルドラーゼ例えば、KDPGアルドラーゼは、考えられる限り、アセトアルデヒドのピルベートへのアルドール付加を触媒するように再設計され得る。再設計は、ピルベートおよびアセトアルデヒドの両方に対する所望の基質特異性を達成するステップと、ラセミ体またはエナンチオピュアな付加物R4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸およびS4-ヒドロキシ-3-オキソ-ペンタン酸のいずれかを生成するように所望の立体選択性を調節するステップと、本発明が実施される工業条件で所望の触媒活性を得るために酵素を安定化例えば、熱安定化またはより高い有機価organictiter中での安定化するステップと、そして/あるいは、本発明が実施される工業条件例えば、サッカロミセスセレビシエSaccharomycescerevisiaeの代謝経路においてとの関連で酵素の発現可能性および溶解度を改善するステップとを含むことができるが、これらに限定されない。本発明の別の実施形態では、ピルベートとアセトアルデヒドとの間のアルドール付加は、ピルビン酸アルドラーゼ、またはその任意の相同体および突然変異体これらの突然変異体は、場合により、コンピュータによる設計、定向進化技術もしくは合理的な変異誘発、または3つの組み合わせを用いるタンパク質工学により得られるによって触媒される。最後に、Zanghellini,Aら,NewAlgorithmsandaninsilicoBenchmarkforComputationalEnzymeDesign,ProteinScience15:2785-27942006年に記載されるものなどの新規の酵素設計技術を用いて、天然に存在するかもしれないし存在しないかもしれない基質のための新しいアルドラーゼ酵素を設計することが可能である。参照によってその全体が本明細書に援用される米国特許出願公開第2009-0191607号明細書に記載されるように、最大70のこのようなアルドラーゼが新規に設計されている。この方法論を基質ピルベートおよびアセトアルデヒドに適用すると、所望の活性を有するアルドラーゼをもたらすことができる。本発明の別の実施形態では、ピルベートとアセトアルデヒドとの間のアルドール付加は新規に設計されたアルドラーゼによって触媒される。ステップ2’:4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸から2-オキソ-4-バレロラクトンへの環化4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸は、2-ヒドロキシ-4-バレロラクトン図1の化合物L7へ環化される。酸性~中性の溶液中では、熱力学的平衡はラクトンへの環化の方向にある。ラクトンへの環化は、化学触媒作用または生化学触媒作用のいずれかの使用によって動力学的に増強され得る。ラクトン化のための均一および不均一触媒には、強酸条件例えば、硫酸、金属触媒例えば、パラジウム、ルビジウムが含まれる。例えば、MartinCHら,IntegratedbioprocessingforpH-dependentof4-valerolactonefromlevulinateinPseudomonasPutidaKT2440,Appl.andEnviron,Microbiology762:417-424で実証されるように、生化学触媒作用は、正方向のラクトン化反応低~中性pH/高有機溶媒価を支持する条件下で、リパーゼ、エステラーゼ、プロテアーゼおよびラクトナーゼの作用によって得ることができる。本発明の一実施形態では、2-オキソ-4-バレロラクトンは、発酵ブロスまたは無細胞溶液から4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸を分離した後、触媒の存在下で4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸から生じる。本発明の別の実施形態では、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸から2-オキソ-4-バレロラクトンへのラクトン化は、リパーゼもしくはエステラーゼもしくはプロテアーゼもしくはラクトナーゼ、またはこれらの突然変異体これらの突然変異体は場合により、コンピュータによる設計、定向進化技術、合理的な変異誘発、または3つの組み合わせを用いるタンパク質工学により得られるによって直接触媒される。ステップ3:4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸から2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸への還元様々な種類の天然デヒドロゲナーゼの中で、コンピュータでのおよび/または実験的なスクリーニングにより、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸および2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸を許容する基質特異性を有するデヒドロゲナーゼを選択することができる。さらに、コンピュータによる設計、定向進化技術もしくは合理的な変異誘発、または3つの組み合わせを用いて、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸および2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸に対する現存のデヒドロゲナーゼの基質特異性を変更または増大することができる。適切なデヒドロゲナーゼの出発点の例には、L-およびD-乳酸デヒドロゲナーゼNADPHまたはヘム依存性、真核生物または細菌に由来、リンゴ酸、アスパラギン酸およびグルタミン酸デヒドロゲナーゼNADPH依存性、真核生物または細菌由来、ならびにアルコールデヒドロゲナーゼ例えば、NADPH依存性アルキルまたはフェニルアルコールデヒドロゲナーゼが含まれる。このようなデヒドロゲナーゼの例は、実施例セクションに記載されている。本発明の一実施形態では、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸は、均一または不均一な化学触媒作用を用いて選択的に2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸に還元される。2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸は、このステップを完了するために、発酵または無細胞溶液から分離/精製されてもよいし、されなくてもよい。好ましくは、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸は、溶液または発酵ブロスから分離された後、続いて前記還元を受ける。本発明の一実施形態では、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸の2位におけるケトンの還元を触媒するためにNADPH依存性デヒドロゲナーゼが使用される。別の実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、4-ヒドロキシ-2-オキソペンタン酸に対して高度の基質特異性を有して、そして2位のケトンに対して非常に位置選択的に、ケトンを還元する。本発明の一実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは立体選択的ではなく、4Rおよび4Sエナンチオマーの両方を受容することができる。本発明の別の実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸の4Rまたは4Sエナンチオマー形態のいずれかを選択的に還元する。本発明の別の実施形態では、好ましくは、高度の基質および位置選択性を有するFAD依存性デヒドロゲナーゼが、NADPH依存性デヒドロゲナーゼの代わりに使用される。本発明の一実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは立体選択的ではなく、4Rおよび4Sエナンチオマーの両方を受容することができる。本発明の別の実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸の4Rまたは4Sエナンチオマー形態のいずれかを選択的に還元する。本発明の別の実施形態では、好ましくは、高度の基質および位置選択性を有するFMN依存性デヒドロゲナーゼが、NADPH依存性デヒドロゲナーゼの代わりに使用される。本発明の一実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは立体選択的ではなく、4Rおよび4Sエナンチオマーの両方を受容することができる。本発明の別の実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸の4Rまたは4Sエナンチオマー形態のいずれかを選択的に還元する。本発明のさらに別の実施形態では、好ましくは、高度の基質および位置選択性を有するフェリシトクロム依存性デヒドロゲナーゼが、NADPH依存性デヒドロゲナーゼの代わりに使用される。本発明の一実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは立体選択的ではなく、4Rおよび4Sエナンチオマーの両方を受容することができる。本発明の別の実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸の4Rまたは4Sエナンチオマー形態のいずれかを選択的に還元する。本発明のさらに別の実施形態では、好ましくは、高度の基質および位置選択性を有するキノン依存性デヒドロゲナーゼが、NADPH依存性デヒドロゲナーゼの代わりに使用される。本発明の一実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは立体選択的ではなく、4Rおよび4Sエナンチオマーの両方を受容することができる。本発明の別の実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸の4Rまたは4Sエナンチオマー形態のいずれかを選択的に還元する。ステップ3’:2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸から2-ヒドロキシ4-バレロラクトンへの環化2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸は、2-ヒドロキシ-4-バレロラクトン図1の化合物L6へ環化される。酸性~中性の溶液中では、熱力学的平衡は4-バレロラクトンへの環化の方向にある。熱力学的平衡ならびに化学および生化学触媒作用について、上記と同じ所見が保持される。本発明の一実施形態では、2-ヒドロキシ-4-バレロラクトンは、発酵ブロスまたは無細胞溶液から2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸を分離した後、触媒の存在下で2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸から生じる。本発明の別の実施形態では、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸から2-ヒドロキシ-4-バレロラクトンへのラクトン化は、リパーゼもしくはエステラーゼもしくはプロテアーゼもしくはラクトナーゼ、またはこれらの突然変異体これらの突然変異体は、コンピュータによる設計、定向進化技術もしくは合理的な変異誘発、または3つの組み合わせを用いるタンパク質工学により得られるによって直接触媒される。ステップ4:2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸から4-オキソ-2-ヒドロキシ-ペンタン酸への酸化本発明の一実施形態では、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸は、不均一または不均一な化学触媒作用を用いて、4-オキソ-2-ヒドロキシ-ペンタン酸へ選択的に酸化される。2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸は、このステップを完了するために、発酵または無細胞溶液から分離/精製されてもよいし、されなくてもよい。好ましくは、4-オキソ-2-ヒドロキシ-ペンタン酸は、溶液または発酵ブロスから分離された後、続いて前記酸化を受ける。本発明の好ましい実施形態では、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸の4位のヒドロキシルの酸化を触媒するために、NADPH依存性デヒドロゲナーゼが使用される。好ましい実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、2,4-ジヒドロキシペンタン酸に対して高度の基質特異性を有して、そして4位のヒドロキシルに対して非常に位置選択的に、ヒドロキシルを酸化する。好ましくは、前記デヒドロゲナーゼは、2,4-ジヒドロキシペンタン酸の4つの異なるエナンチオマー2R4R、2R4S、2S4R、2S4Sを受容する。代替の実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸の先の還元から得られる最も豊富なエナンチオマーがどちらであっても、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸の2R2R4R、2R4Sまたは2S2S4R、2S4Sエナンチオマーのいずれかを選択的に酸化している。このようなデヒドロゲナーゼの例は、実施例セクションに記載されている。本発明の別の実施形態では、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸の4位のヒドロキシルの酸化を触媒するために、FAD依存性デヒドロゲナーゼが使用される。好ましい実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸に対して高度の基質特異性を有して、そして4位のヒドロキシルに対して非常に位置選択的に、ヒドロキシルを酸化する。好ましくは、前記デヒドロゲナーゼは、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸の4つの異なるエナンチオマー2R4R、2R4S、2S4R、2S4Sを受容する。代替の実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸の還元から得られる最も豊富なエナンチオマーがどちらであっても、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸の2R2R4R、2R4Sまたは2S2S4R、2S4Sエナンチオマーのいずれかを選択的に酸化している。本発明の別の実施形態では、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸の4位のヒドロキシルの酸化を触媒するために、FMN依存性デヒドロゲナーゼが使用される。好ましい実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸に対して高度の基質特異性を有して、そして4位のヒドロキシルに対して非常に位置選択的に、ヒドロキシルを酸化する。好ましくは、前記デヒドロゲナーゼは、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸の4つの異なるエナンチオマー2R4R、2R4S、2S4R、2S4Sを受容する。代替の実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸の還元から得られる最も豊富なエナンチオマーがどちらであっても、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸の2R2R4R、2R4Sまたは2S2S4R、2S4Sエナンチオマーのいずれかを選択的に酸化している。本発明のさらに別の実施形態では、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸の4位のヒドロキシルの酸化を触媒するために、フェリシトクロム依存性デヒドロゲナーゼが使用される。好ましい実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸に対して高度の基質特異性を有して、そして4位のヒドロキシルに対して非常に位置選択的に、ヒドロキシルを酸化する。好ましくは、前記デヒドロゲナーゼは、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸の4つの異なるエナンチオマー2R4R、2R4S、2S4R、2S4Sを受容する。代替の実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸の還元から得られる最も豊富なエナンチオマーがどちらであっても、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸の2R2R4R、2R4Sまたは2S2S4R、2S4Sエナンチオマーのいずれかを選択的に酸化している。本発明のさらに別の実施形態では、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸の4位のヒドロキシルの酸化を触媒するために、キノン依存性デヒドロゲナーゼが使用される。好ましい実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、2,4-ジヒドロキシペンタン酸に対して高度の基質特異性を有して、そして4位のヒドロキシルに対して非常に位置選択的に、ヒドロキシルを酸化する。好ましくは、前記デヒドロゲナーゼは、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸の4つの異なるエナンチオマー2R4R、2R4S、2S4R、2S4Sを受容する。代替の実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸の還元から得られる最も豊富なエナンチオマーがどちらであっても、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸の2R2R4R、2R4Sまたは2S2S4R、2S4Sエナンチオマーのいずれかを選択的に酸化している。ステップ5:4-オキソ-2-ヒドロキシ-ペンタン酸から4-オキソ-2-ペンテン酸への脱水古典的には、化学的な脱水は、100°Cよりも高い温度、濃縮酸4.0Mの硫酸および/または金属酸化物触媒酸化亜鉛またはアルミニウムなどの均一または不均一な触媒作用のいずれかによって達成される。本発明の一実施形態では、還元および酸化ステップの後に得られる4-オキソ-2-ヒドロキシ-ペンタン酸は、均一または不均一触媒作用によって、4-オキソ-2-ペンテン酸へ化学的に脱水される。4-オキソ-2-ヒドロキシ-ペンタン酸は、このステップを完了するために、発酵または無細胞溶液から分離/精製されてもよいし、されなくてもよい。好ましくは、4-オキソ-2-ヒドロキシ-ペンタン酸は、溶液または発酵ブロスから分離された後、続いて前記脱水を受ける。有機化合物の脱水は、あるいは、デヒドラターゼ酵素によって触媒され得る。数種類のデヒドラターゼが特徴付けられており、異なるメカニズム:ビタミンB12依存性またはSAM依存性デヒドラターゼ例えば、ジオールデヒドラターゼ、グリセロールデヒドラターゼなどにおけるラジカルに基づくメカニズム、鉄-硫黄含有デヒドラターゼ例えば、ジヒドロキシ酸デヒドラターゼ、アコニターゼなどのルイス酸メカニズム、および二酸デヒドラターゼ例えば、酒石酸デヒドラターゼなどのエノラートイオン中間体メカニズムに依存する。メカニズムは全て4-オキソ-2-ヒドロキシ-ペンタン酸の脱水に適用可能であるが、脱離されるヒドロキシルに対してβのカルボニルにおけるエノラートアニオンの形成はα-プロトンのpKaを低下させ、それにより一般酸/塩基群によって容易に引き抜きが可能になるので、エノラート中間体に依存するメカニズムが好まれる。付加的な一般酸/塩基群は、脱離する水分子をプロトン化する。例えば、Gerltら,Divergentevolutionintheenolasesuperfamily:theinterplayofmechanismandspecificity,Biochemistry,433:59-702005年に記載されるように、このメカニズムは、様々な種類の天然デヒドラターゼによって利用され、エノラーゼスーパーファミリーからのマグネシウム依存性デヒドラターゼ、例えば、酒石酸デヒドラターゼ、グルコン酸デヒドラターゼは、このメカニズムを高い基質特異性を有する構造的に様々な二酸の脱水のために使用する。フマラーゼフマル酸ヒドラターゼとしても知られているは、エノラートに基づくマレートからフマレートへの可逆的な水和を触媒する。エノイルデヒドラターゼクロトナーゼとしても知られているは、CoAチオエステルのエノラートアニオンを使用して、種々のCoA基質の可逆的な水和を触媒する例えば、Holdenら,TheCrotonaseSuperfamily:divergentlyrelatedenzymesthatcatalyzedifferentreactionsinvolvingacylCoenzymeAthioesters,Acc.Chem.Res.34:145-1572001年を参照。本発明の一実施形態では、4-オキソ-2-ヒドロキシ-ペンタン酸から4-オキソ-2-ペンテン酸への脱水は、デヒドラターゼによって触媒される。本発明の好ましい実施形態では、前記デヒドラターゼはエノラート中間体を使用して、脱水を触媒する。好ましくは、前記デヒドラターゼは、エノラーゼスーパーファミリー、フマラーゼもしくはエノイル-CoAデヒドラターゼスーパーファミリーのメンバー、またはタンパク質工学によって得られるこれらの突然変異体である。本発明の好ましい実施形態では、前記デヒドラターゼは、4-オキソ-2-ヒドロキシ-ペンタン酸に対して高レベルの基質特異性を示す。本発明の別の好ましい実施形態では、前記デヒドラターゼは、4-オキソ-2-ヒドロキシ-ペンタン酸の2Rおよび2Sエナンチオマーを同等に脱水する。本発明の代替の実施形態では、前記デヒドラターゼは、4-オキソ-2-ヒドロキシ-ペンタン酸の2Rまたは2Sエナンチオマーのいずれかを選択的に脱水する。ステップ4および5の代替案:2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸から4-オキソ-2-ペンテン酸への2段階の転換の代わりに、酸化的脱水を用いて1段階の転換を達成することができる。酸化的脱水は、糖の代謝において一般的である。Ishiyamaら,StructuralstudiesofFlaA1fromhelicobacterpylorirevealthemechanismforinverting4,6-dehydrataseactivity,J.Bio.Chem.28134:24489-244952006年にその構造の詳細が記載されている、UDP-GlcNAc反転4,6-デヒドラターゼなどのいわゆる4,6デヒドラターゼ酵素。本発明の一実施形態では、このような4,6-デヒドラターゼを使用して、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸から4-オキソ-2-ペンタン酸への酸化的脱水を触媒する。本発明の1つの態様では、前記4,6-デヒドラターゼはエナンチオ選択的であり、好ましくは、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸のエナンチオマーの1つ2R4R、2R4S、2S4Rまたは2S4Sのいずれかを脱水する。本発明の別の態様では、前記4,6-デヒドラターゼはエナンチオ選択的ではなく、2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸のエナンチオマーの2つ以上を同様の触媒効率で脱水する。本発明の好ましい実施形態では、4,6-デヒドラターゼは2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸において非常に活性であり、コンピュータによる設計、定向進化技術もしくは合理的な変異誘発、またはこれらの組み合わせを用いてタンパク質工学により天然4,6-デヒドラターゼから得られる。ステップ6:4-オキソ-2-ペンテン酸から4-オキソ-ペンタン酸レブリン酸への還元置換アルケンの二重結合は還元水素化されて、対応する飽和アルカンを得ることができる。Stuermerら,AsymmetricbioreductionofactivatedC=Cbondsusingenoatereductasesfromtheoldyellowenzymefamily,Curr.Opin.InChem.Bio.11:203-2132007年において概説されるように、置換アルケンは、化学触媒作用を用いて、あるいはエン酸レダクターゼなどの生体触媒を用いて通常は非対称的に還元することができる。エン酸レダクターゼは、サッカロミセスセレビシエSacharomycescerevisiaeおよびゼニゴケ属などの真核生物と、クロストリジウム属などの原核生物との両方から特徴付けられている。エン酸レダクターゼ酵素のファミリーは、酵素の代謝回転ごとに酸化するフラビン補因子FMNに依存する。ニコチンアミド非依存性である1つの既知の場合を除いて、フラビン補因子は、次に、活性部位に同様に結合するニコチンアミド補因子NADHまたはNADPHのいずれかによって還元される。1回の代謝回転が完了すると、基質は還元されており、補因子NADPHはNADPへ酸化されている。エン酸レダクターゼはその基質特異性に差がある。しかしながら、酵母およびクロストリジウムエン酸レダクターゼなどのいくつかのエン酸レダクターゼは広い基質特異性を有し、直鎖の置換アルケン酸またはケトン官能基を有すると、4-バレロラクトンなどの置換ラクトンとを適応させることができる。本発明の一実施形態では、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸は、分離ブロスまたは無細胞溶液から分離され、不均一または不均一な触媒作用を用いて二重結合が選択的に還元される。本発明の別の実施形態では、エン酸レダクターゼ酵素は、4-ヒドロキシ-2-オキソ-ペンタン酸をレブリン酸へ還元するために使用される。好ましい実施形態では、前記エン酸レダクターゼはFMNH2およびNADPH補因子の両方に依存し、前記NADPH補因子は活性部位で使用されて、FMNH2を触媒作用前のその酸化還元状態へ再生する。本発明の好ましい実施形態では、前記エン酸レダクターゼは、発酵宿主においてクローン化および発現される。代替の実施形態では、前記エン酸レダクターゼは細胞外で使用されるか、あるいは適切な補因子再生システムにより無細胞系で使用される。別の代替の実施形態では、前記還元は、1つまたはいくつかのエン酸レダクターゼを発現する全細胞触媒によって触媒され、前記細胞は、経路の一部または全体が使用される発酵宿主細胞とは異なる。ステップ7:4-オキソ-ペンタン酸レブリン酸から4-ヒドロキシ-ペンタン酸への還元ステップ3段落[0037]~[0043]と同様に、レブリン酸の4位のケトンの還元は、化学触媒作用手段またはデヒドロゲナーゼ生体触媒の使用のいずれかによって達成することができる。代謝経路との関連で、この最後の還元および対応する1還元当量の酸化は、C5および/またはC6糖からの経路全体のレドックスバランスを保証する。本発明の一実施形態では、レブリン酸はブロスまたは無細胞溶液から分離され、4位のケトンは不均一または不均一な触媒作用を用いて選択的に還元されて、4-ヒドロキシ-ペンタン酸を生じる。本発明の代替の実施形態では、NADP依存性デヒドロゲナーゼは、レブリン酸の4位のケトンから対応するヒドロキシルへの還元を触媒するために使用され、4-ヒドロキシ-ペンタン酸を生成する。好ましい実施形態では、レブリン酸に対して高度の基質特異性を有して、そして4位のケトンに対して非常に位置選択的に、前記デヒドロゲナーゼがケトンを還元する。好ましくは、前記デヒドロゲナーゼは、4-オキソ-2-ヒドロキシ-ペンタン酸の4位のヒドロキシルの酸化の場合と同じ酵素、またはその突然変異体突然変異体は、コンピュータによる設計もしくは実験的変異誘発、または2つの組み合わせにより得られるである。本発明の好ましい実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、4-ヒドロキシ-ペンタン酸のエナンチオマーの1つ4Rまたは4Sを選択的に生成する。代替の実施形態では、前記デヒドロゲナーゼは、4-ヒドロキシ-ペンタン酸の4Rおよび4Sエナンチオマーのラセミ混合物を生成する。ステップ8:4-ヒドロキシ-ペンタン酸から4-バレロラクトンへの環化4-ヒドロキシ-ペンタン酸は、4-バレロラクトンγ-バレロラクトンとしても知られている、図1の化合物L1へ環化される。酸性溶液中で、熱力学的平衡は4-バレロラクトンへの環化の方向にある。熱力学的平衡ならびに化学および生化学触媒作用について、段落[0035]と同じ所見が保持される。本発明の一実施形態では、4-バレロラクトンは、発酵ブロスまたは無細胞溶液から4-ヒドロキシ-ペンタン酸を分離した後、触媒の存在下で4-ヒドロキシ-ペンタン酸から生じる。本発明の好ましい実施形態では、エナンチオピュアな4-ヒドロキシ-ペンタン酸4Rまたは4Sエナンチオマーのいずれかは、前記触媒によってエナンチオピュアな4-バレロラクトンへ転換される。代替の実施形態では、4-ヒドロキシ-ペンタン酸の2つのエナンチオマー4Rおよび4Sのラセミ混合物は、前記触媒によって4-バレロラクトンのラセミ混合物へ転換される。本発明の別の実施形態では、4-ヒドロキシ-ペンタン酸から4-バレロラクトンへのラクトン化は、リパーゼもしくはエステラーゼもしくはプロテアーゼもしくはラクトナーゼ、またはこれらの突然変異体これらの突然変異体は、コンピュータによる設計、定向進化技術もしくは合理的な変異誘発、または3つの組み合わせを用いるタンパク質工学により得られるによって、細胞内または細胞の外側で直接触媒される。本発明の好ましい実施形態では、前記リパーゼまたはエステラーゼまたはプロテアーゼまたはラクトナーゼはエナンチオピュアな4-ヒドロキシ-ペンタン酸基質に作用して、エナンチオピュアな4-バレロラクトンを生成する。代替の実施形態では、前記リパーゼまたはエステラーゼまたはプロテアーゼまたはラクトナーゼは、4-ヒドロキシ-ペンタン酸の4Rおよび4Sエナンチオマーのラセミ混合物に作用して、4-バレロラクトンの4Rおよび4Sエナンチオマーのラセミ混合物を生成する。ピルビン酸デカルボキシラーゼ酵素の例:ピルビン酸デカルボキシラーゼ酵素などのピルビン酸デカルボキシラーゼファミリーの酵素EC番号EC4.1.1.1は、経路の第1のステップであるピルベートからアセトアルデヒドへの転換を触媒するために使用することができる。以下の表1はこのような酵素の例をその供給源の生物と共に記載しており、これらは文献において研究および特徴付けされており、公共データベースGenBankNCBIのその受入番号が記載される。Blast、PSI-BlastまたはHMMER3など限定はされないのアライメントソフトウェアを用いて、アライメントe値<0.1により、表1の配列またはこれらの逆翻訳から得られる相同酵素、例えばタンパク質およびDNA配列も使用することができる。4-ヒドロキシ-2-ケト-ペンタン酸の産生を触媒するアルドラーゼ酵素の例:Blast、PSI-BlastまたはHMMER3など限定はされないのアライメントソフトウェアを用いて、アライメントe値<0.1により、以下の表の配列またはこれらの逆翻訳から得られる相同酵素、例えばタンパク質およびDNA配列も使用することができる。ペンタン酸誘導体の4位のケトンを第2級アルコールヒドロキシルへ還元する/ペンタン酸誘導体の4位の第2級アルコールヒドロキシルをケトンへ酸化することができるデヒドロゲナーゼ酵素の例:Blast、PSI-BlastまたはHMMER3など限定はされないのアライメントソフトウェアを用いて、アライメントe値<0.1により、以下の表の配列またはこれらの逆翻訳から得られる相同酵素、例えばタンパク質およびDNA配列も使用することができる。様々な種類のデヒドロゲナーゼが、種々の程度の基質特異性により、第2級アルコール/ケトンを酸化/還元することができる。以下に記載されるデヒドロゲナーゼ配列は、3個以上の炭素のアルキル鎖の第2級アルコール/ケトン置換基において活性であることが文献で報告されたデヒドロゲナーゼのいくつかの例である。2,4-ジオキソペンタン酸を4-オキソ-2-ヒドロキシ-ペンタン酸へ還元するためのデヒドロゲナーゼ酵素の例:Blast、PSI-BlastまたはHMMER3など限定はされないのアライメントソフトウェアを用いて、アライメントe値<0.1により、以下の表の配列またはこれらの逆翻訳から得られる相同酵素、例えばタンパク質およびDNA配列も使用することができる。広い基質特異性を有する乳酸デヒドロゲナーゼ酵素は、基質2,4-ジオキソペンタン酸を受容することが文献で実証された。以下の2つの配列は異なる立体選択性を有する。4-オキソ-2-ヒドロキシ-ペンタン酸から4-オキソ-2-ペンテン酸への転換を触媒するデヒドラターゼ酵素の例:Blast、PSI-BlastまたはHMMER3など限定はされないのアライメントソフトウェアを用いて、アライメントe値<0.1により、以下の表の配列またはこれらの逆翻訳から得られる相同酵素、例えばタンパク質およびDNA配列も使用することができる。エノラートスーパーファミリーのデヒドラターゼ:エノラーゼ酵素ファミリーと構造的に関連するこれらのデヒドラターゼ酵素は、酸官能基に対してαの水素の1つの引き抜きの後に形成されるエノラートイオンを安定化する。これらの酵素はエノラートアニオンの安定化に依存して脱水反応の活性化エネルギーを低下させるので、これらは、カルボン酸、ケトンまたはエステル官能基のいずれかによりβ脱離されるヒドロキシルを有する基質において活性であり得る。この種類のデヒドラターゼのいくつかの例は以下の表で提供される:エノイル-CoAヒドラターゼ、またはクロトナーゼファミリーのデヒドラターゼ:これらの酵素は、α,β不飽和チオ-エステルへの/からの水分子の可逆的な付加/脱離を触媒することができる補酵素A誘導体。これらは、プロトンの引き抜きの後に形成されるエノラートアニオンの安定化に依存するので、酵素はα,β不飽和カルボン酸およびケトンの水和および可逆的な脱水を触媒することもできる。エノラーゼスーパーファミリーからのデヒドラターゼとは対照的に、これらの酵素はどの補因子も必要としない。フマラーゼCファミリーのデヒドラターゼフマラーゼAおよびBファミリーの酵素は鉄-硫黄クラスタを使用する:エノイル-CoAヒドラターゼファミリーと同様に、これらの酵素はどの補因子も必要とせずにエノラートを安定化する。基質結合および遷移状態の安定化は、活性部位アミノ酸により達成される。その他のデヒドラターゼ:鉄-硫黄クラスタに依存するデヒドラターゼ酵素例えば、ジヒドロキシ-ジオールデヒドラターゼ、フマラーゼAおよびC、またはビタミンB12依存性およびSAM依存性デヒドラターゼ例えば、グリセロールおよびプロパンジオールデヒドラターゼなどなどの、全ての他の既知のデヒドラターゼEC番号4.2.1.も、4-オキソ-2-ヒドロキシペンタン酸から4-オキソ-2-ペンテン酸への脱水を触媒するために使用され得る。2,4-ジヒドロキシ-ペンタン酸から4-オキソ-2-ペンテン酸への酸化的脱水/転換を触媒することができるオキシダーゼ/エピメラーゼ酵素の例Blast、PSI-BlastまたはHMMER3など限定はされないのアライメントソフトウェアを用いて、アライメントe値<0.1により、以下の表の配列またはこれらの逆翻訳から得られる相同酵素、例えばタンパク質およびDNA配列も使用することができる。4-オキソ、2-ヒドロキソペンタン酸からレブリン酸への還元を触媒する酵素の例:Blast、PSI-BlastまたはHMMER3など限定はされないのアライメントソフトウェアを用いて、アライメントe値<0.1により、以下の表の配列またはこれらの逆翻訳から得られる相同酵素、例えばタンパク質およびDNA配列も使用することができる。エン酸レダクターゼと呼ばれる酵素ファミリー、あるいはより非公式には旧黄色酵素は、α,β不飽和チオエステル、カルボン酸およびケトンの可逆的な還元を触媒する、NADPHおよびFMN依存性酵素である。これらは広い基質特異性を示し、以下の配列は、4-オキソ、3-ヒドロキシペンタン酸からレブリン酸への還元を触媒することが実験的に成功してデータを参照証明されている。シュードモナスシリンゲPseudomonassyringaeからの酵素NCRの多点突然変異体も、基質としての4-オキソ、2-ヒドロキソペンタン酸に対する種々の触媒活性を示すことが実験的に示されている。これらの突然変異体は、配列AAD16106のアミノ酸番号付けにおけるY178A、P242Q、D338YおよびF315Yに対応する。4-ヒドロキシ酸からその対応する環状エステルラクトンへのラクトン化を触媒することができる酵素の例:Blast、PSI-BlastまたはHMMER3など限定はされないのアライメントソフトウェアを用いて、アライメントe値<0.1により、以下の表の配列またはこれらの逆翻訳から得られる相同酵素、例えばタンパク質およびDNA配列も使用することができる。4-ヒドロキシ酸からの1,4環状エステルの可逆的な形成を触媒するために使用することができる多種類のラクトナーゼ例えば、ラクトノヒドロラーゼが知られている。特に、1.4ラクトナーゼEC3.1.1.25は4-ヒドロキシ酸に対していくらかの特異性を示し、従って、図3、4および5のステップ8の反応、ならびに図6の多数のラクトン化反応を触媒するために選択される配列である。特に、いくつかの1,4-ラクトナーゼは4-ヒドロキシペンタン酸と共にアッセイされ、ガンマ-バレロラクトンへのその可逆的な環化を触媒することが報告されている。以下の表は、この反応を触媒することが文献で報告されているいくつかのラクトナーゼ酵素を記載する。様々な種類の他の特徴付けられたラクトナーゼが4-ヒドロキシ酸の環化を触媒することができる。以下は、現存するラクトナーゼカルボキシエステラーゼのサブクラスに相当するEC番号を記載する表である。最後に、エステラーゼ、リパーゼおよびペプチダーゼ/アミダーゼは、適切な実験条件非アルカリ性pH、そして通常は室温下でラクトン化反応を触媒することが観察されている。例えば、リパーゼは、PCT国際出願PCT/US2010/055524号明細書においてラクトン化のために言及されており、アミダーゼ/ペプチダーゼは、国際公開第2009/142489号パンフレットにおいて、ラクトンを合成するための使用に成功しているこれらはいずれも参照によって本明細書に援用される。4-ヒドロキシ酸からその対応する環状エステルラクトンへのラクトン化を触媒するための非生体触媒法の例:ヒドロキシ酸の1,4-ラクトン化を触媒するために多数の非生体触媒法がある。例えば、このようなラクトン化は酸で触媒されることがよく知られており、従って、培地のpHを低下させる生細胞の内側でも外側でもと、ラクトン化反応の速度が増大する。さらに、PCT国際出願PCT/US2010/055524号明細書参照によって本明細書に援用されるには、pH2.5~7.0および室温などの合理的な条件下で、4-ヒドロキシ酸の酸官能基における官能基転移による活性化が、ラクトン形態を定量的に生じるために十分であることが報告されている。例えば、PCT/US2010/055524号明細書には、1リン酸基による活性化この場合は、4-ヒドロキシルブチリルホスファートの生成によると、2補酵素Aによる活性化4-ヒドロキシルブチリル-CoAの生成によるとが記載されている。天然または改変されたキナーゼ酵素またはCoAシンテターゼをそれぞれ用いる中間体4-ヒドロキシルペンタノイル-ホスファートまたは4-ヒドロキシルペンタノイル-CoAの合成、すなわち化学合成は、適切な条件下で同様の活性化および自発性ラクトン化を生じることが予測される。本明細書で引用される全ての参考文献は、全ての目的のために参照によって本明細書に援用される。"