I terpenoidi, detti anche isoprenoidi, sono composti organici il cui scheletro carbonioso è derivato dal collegamento di unità di isoprene (CH2=C(CH3)CH=CH2). I carotenoidi, un sottotipo di terpenoidi, sono classificati come 30-C, 40-C e così via, in base al loro numero di atomi di carbonio scheletrici. Possono essere prodotti in laboratorio mediante biosintesi, talvolta chiamata biogenesi, imitando i processi presenti in natura. Partendo da molecole piccole e semplici, come l’isopentenil difosfato, le addizioni avvengono per gradi in presenza di enzimi catalitici, fino al raggiungimento dei prodotti finali. Sebbene le reazioni siano note per il loro percorso chimico, la produzione può comportare l’uso di microbi.
I carotenoidi, tra cui β-carotene, licopene e xantofille, sono coloranti dal giallo al rosso, che si trovano nelle carote, nelle albicocche, negli spinaci e in altri frutti e verdure. Servono a due noti scopi essenziali. Poiché assorbono la luce all’estremità blu dello spettro, i carotenoidi estendono la gamma di frequenza alla quale le piante possono impegnarsi nella fotosintesi; inoltre proteggono il pigmento verde dal danno fotolitico ossidativo. Oltre alle loro proprietà antiossidanti, alcuni carotenoidi possiedono attività di vitamina A. Gli alimenti ricchi di carotenoidi tendono ad essere poveri di lipidi.
La sintesi dei carotenoidi in natura è compiuta da uno dei due processi noti: uno è il mevalonato, l’altro è il percorso di biosintesi dei carotenoidi non mevalonato. Entrambi i percorsi sono simili una volta raggiunto l’isopentenil pirofosfato (IPP). Il passo successivo è la conversione in dimetilallil pirofosfato (DMPP), quindi geranil pirofosfato (GPP) e, infine, la specie a 15 atomi di carbonio, farnesil pirofosfato (FPP). Questo serve come intermedio in ulteriori fasi di biosintesi dei carotenoidi. Due delle strutture a 15 atomi di carbonio possono essere unite per formare carotenoidi 30-C utilizzando un catalizzatore.
Se l’intento è piuttosto quello di produrre carotenoidi 40-C o 50-C, il farnesil difosfato riceve un altro IPP per formare l’intermedio a 20 atomi di carbonio, il geranilgeranil difosfato (GGPP). Questo viene poi aggiunto enzimaticamente a se stesso per produrre il fitoene 40-C, che può essere riarrangiato a licopene. Una volta raggiunto il licopene, ci sono una varietà di vie sintetiche per diversi risultati finali. Il licopene può essere aggiunto ulteriormente per produrre i carotenoidi 50-C. In alternativa, le strutture possono essere mantenute a 40 atomi di carbonio ed essere convertite cataliticamente in α-carotene o β-carotene, che avviano la terza e la quarta via.
La conoscenza delle vie della biosintesi dei carotenoidi esiste da decenni. Tuttavia, è stato solo negli anni ‘1990 che il gene che codifica per gli enzimi è stato sufficientemente identificato per rendere pratica la produzione industriale utilizzando i metodi che si trovano in natura. La clonazione genica è stata realizzata per ciascuna delle fasi della biosintesi dei carotenoidi, fino alla produzione delle xantofille. I biologi molecolari ritengono che il percorso dei carotenoidi nelle piante possa essere manipolabile tramite la tecnologia di trasferimento genico. Ciò consentirebbe metodologie di biosintesi dei carotenoidi più semplici ed economiche.