Terpenoide, auch Isoprenoide genannt, sind organische Verbindungen, deren Kohlenstoffgerüst durch die Verknüpfung von Isopren-Einheiten (CH2=C(CH3)CH=CH2) entsteht. Carotinoide, eine Unterart von Terpenoiden, werden basierend auf ihrer Anzahl an Skelettkohlenstoffatomen in 30-C, 40-C usw. kategorisiert. Sie können im Labor durch Biosynthese, manchmal auch Biogenese genannt, hergestellt werden, indem sie die in der Natur vorkommenden Prozesse nachahmen. Ausgehend von kleinen und einfachen Molekülen, wie Isopentenyldiphosphat, erfolgen schrittweise Additionen in Gegenwart katalytischer Enzyme, bis die Endprodukte erreicht sind. Obwohl die Reaktionen durch ihren chemischen Weg bekannt sind, kann die Herstellung die Verwendung von Mikroben beinhalten.
Carotinoide – einschließlich β-Carotin, Lycopin und Xanthophylle – sind gelbe bis rote Farbstoffe, die in Karotten, Aprikosen, Spinat und anderem Obst und Gemüse vorkommen. Sie dienen zwei bekannten wesentlichen Zwecken. Da sie Licht am blauen Ende des Spektrums absorbieren, erweitern Carotinoide den Frequenzbereich, in dem Pflanzen Photosynthese betreiben können; sie schützen auch das grüne Pigment vor oxidativen photolytischen Schäden. Zusätzlich zu ihren antioxidativen Eigenschaften besitzen einige Carotinoide eine Vitamin-A-Aktivität. Lebensmittel, die reich an Carotinoiden sind, sind in der Regel fettarm.
Die Synthese von Carotinoiden in der Natur wird durch einen von zwei bekannten Prozessen erreicht: einer ist der Mevalonat-, der andere der Nicht-Mevalonat-Carotinoid-Biosyntheseweg. Beide Wege sind ähnlich, sobald sie Isopentenylpyrophosphat (IPP) erreichen. Der nächste Schritt ist die Umwandlung in Dimethylallylpyrophosphat (DMPP), dann Geranylpyrophosphat (GPP) und schließlich die 15-Kohlenstoff-Spezies Farnesylpyrophosphat (FPP). Dieses dient als Zwischenprodukt in weiteren Carotinoid-Biosyntheseschritten. Zwei der 15-Kohlenstoff-Strukturen können mit einem Katalysator zu 30-C-Carotinoiden verbunden werden.
Wenn eher 40-C- oder 50-C-Carotinoide hergestellt werden sollen, erhält das Farnesyldiphosphat ein weiteres IPP, um das 20-Kohlenstoffatom-Zwischenprodukt Geranylgeranyldiphosphat (GGPP) zu bilden. Dieses wird dann enzymatisch zu sich selbst hinzugefügt, um das 40-C-Phytoen zu produzieren, das zu Lycopin umgelagert werden kann. Sobald Lycopin erreicht ist, gibt es eine Vielzahl von Synthesewegen zu unterschiedlichen Endergebnissen. Lycopin kann weiter zugesetzt werden, um die 50-C-Carotinoide herzustellen. Alternativ können Strukturen auf 40 Kohlenstoffatomen gehalten und katalytisch in α-Carotin oder β-Carotin umgewandelt werden, die den dritten und vierten Weg einleiten.
Das Wissen über die Wege der Carotinoid-Biosynthese besteht seit Jahrzehnten. Doch erst in den 1990er Jahren war das Gen, das für die Enzyme kodiert, ausreichend identifiziert, um eine industrielle Herstellung mit den in der Natur vorkommenden Methoden praktikabel zu machen. Die Genklonierung wurde für jeden der Schritte der Carotinoid-Biosynthese bis hin zur Herstellung der Xanthophylle durchgeführt. Molekularbiologen glauben, dass der Carotinoid-Weg in Pflanzen durch Gentransfertechnologie manipulierbar sein könnte. Dies würde einfachere und billigere Carotinoid-Biosynthesemethoden ermöglichen.