La recientemente establecida relación entre el metabolismo de aminoácidos aromáticos y la síntesis de moléculas bioactivas como la melatonina, la serotonina y el hidroxitirosol en Saccharomyces cerevisiae trae consigo aplicaciones interesantes en el campo de la industria alimentaria y farmacológica, pero también plantea un gran desafío. La síntesis de estas moléculas se atribuye a la levadura durante el proceso de fermentación, pero los mecanismos subyacentes o los genes responsables aún son desconocidos. En este contexto, la principal hipótesis en esta tesis es: A través del estudio de la síntesis de compuestos bioactivos derivados de aminoácidos aromáticos y sus mecanismos subyacentes en S. cerevisiae, es posible promover un aumento de estos metabolitos en alimentos y bebidas fermentados como resultado del metabolismo de la levadura, pero también es posible ajustar de manera racional la producción de estos compuestos de interés para una producción masiva y sostenible mediante factorías celulares. A partir de este enfoque, el objetivo principal de esta tesis es ampliar el conocimiento sobre los determinantes moleculares responsables de la síntesis de compuestos bioactivos derivados de aminoácidos aromáticos, especialmente la melatonina y el hidroxitirosol, y explorar la capacidad de sobreproducción de estos metabolitos en levaduras mediante diferentes enfoques de mejora genética, como la evolución adaptativa de laboratorio, la ingeniería metabólica y la biología sintética. Con ese objetivo, en esta tesis se adapta y optimiza un método sensible y de bajo coste para detectar y cuantificar la melatonina directamente a partir de muestras de medios de cultivo, lo que permite un método accesible para realizar extensos análisis para discernir la producción espontánea de melatonina en múltiples cepas de levadura. El objetivo de arrojar luz sobre los genes responsables de la síntesis de melatonina en S. cerevisiae llevó a la conclusión de la participación de proteínas "plurifuncionales" en la síntesis de melatonina en la levadura, y se revela un nuevo candidato genético, HPA2, implicado en la biosíntesis de la melatonina debido a su capacidad de acetilar los precursores de la melatonina. También se aborda la producción de compuestos derivados de aminoácidos aromáticos por la levadura desde dos enfoques diferentes, por un lado, se llevó a cabo una nueva evolución de laboratorio adaptativa en una cepa de levadura industrial para obtener un nuevo fenotipo, principalmente en lo que respecta a su perfil metabolómico y especialmente a la síntesis de antioxidantes y compuestos bioactivos derivados de aminoácidos aromáticos. Por otro lado, se explora la utilización de la levadura como fábrica de células mediante el desarrollo de una cepa productora de hidroxitirosol, capaz de producir un producto de alto valor como el hidroxitirosol utilizando la glucosa como sustrato principal.

The recently established relation between the metabolism of aromatic amino acids and the synthesis of bioactive molecules such as melatonin, serotonin and hydroxytyrosol in Saccharomyces cerevisiae brings interesting applications in the field of food and pharmacological industry but also poses a great challenge. The synthesis of these molecules is attributed to yeast during the fermentation process but the underlying mechanisms or the responsible genes remain unknown. In this context, the main hypothesis in this thesis is: Through the study of the synthesis of bioactive aromatic amino acid-derived compounds and their underlying mechanisms in S. cerevisiae it is possible to promote an increase of these metabolites in fermented foods and beverages as a result of yeast metabolism, but it is also possible to rationally tune the production of these compounds of interest for a massive and yet sustainable production in a yeast cell factory. From this approach, the main objective of this thesis is to broaden the knowledge about the molecular determinants responsible for the synthesis of bioactive compounds derived from aromatic amino acids, especially melatonin and hydroxytyrosol, and explore yeasts overproducing capacity of these metabolites by different genetic improvement approaches, such as adaptive laboratory evolution, metabolic engineering and synthetic biology. With that aim in this thesis a sensitive and cost-effective method to detect and quantitate melatonin directly from growth media samples is adapted and optimized, enabling an accessible method to perform extensive screenings to discern spontaneous melatonin production in multiple yeast strains. The objective of shedding light on the genes responsible for the synthesis of melatonin in S. cerevisiae led to the conclusion of the involvement of “moonlighting” proteins in the synthesis of melatonin in yeast and a new gene candidate, HPA2, is revealed as implicated on melatonin’s biosynthesis due to its capacity of acetylating melatonin’s precursors. The production of aromatic amino acid derived compounds by yeast is also addressed from two different approaches, on the one hand a novel adaptive laboratory evolution was carried out on an industrial yeast strain to obtain a new phenotype, majorly concerning its metabolomic profile, and specially the synthesis of antioxidants and bioactive aromatic amino acid derived compounds. On the other hand the utilization of yeast as a cell factory is explored by the development of a hydroxytyrosol producer strain, capable to produce a high-value product such as hydroxytyrosol using glucose as the main substrate.