Los terpenoides, también llamados isoprenoides, son compuestos orgánicos cuyo esqueleto carbónico se deriva de la unión de unidades de isopreno (CH2 = C (CH3) CH = CH2). Los carotenoides, un subtipo de terpenoides, se clasifican como 30-C, 40-C y así sucesivamente, según su número de átomos de carbono esqueléticos. Se pueden fabricar en el laboratorio mediante biosíntesis, a veces llamada biogénesis, imitando los procesos que se encuentran en la naturaleza. Comenzando con moléculas pequeñas y simples, como el difosfato de isopentenilo, las adiciones se realizan paso a paso en presencia de enzimas catalíticas, hasta que se alcanzan los productos finales. Aunque las reacciones se conocen por su vía química, la fabricación puede implicar el uso de microbios.
Los carotenoides, incluidos el β-caroteno, el licopeno y las xantofilas, son colorantes de amarillo a rojo que se encuentran en las zanahorias, los albaricoques, las espinacas y otras frutas y verduras. Sirven para dos propósitos esenciales conocidos. Dado que absorben la luz en el extremo azul del espectro, los carotenoides amplían el rango de frecuencia en el que las plantas pueden participar en la fotosíntesis; también protegen el pigmento verde del daño fotolítico oxidativo. Además de sus propiedades antioxidantes, algunos carotenoides poseen actividad de vitamina A. Los alimentos ricos en carotenoides tienden a ser bajos en lípidos.
La síntesis de carotenoides en la naturaleza se logra mediante uno de dos procesos conocidos: uno es el mevalonato, el otro es la vía de biosíntesis de carotenoides no mevalonato. Ambas vías son similares una vez que alcanzan el pirofosfato de isopentenilo (IPP). El siguiente paso es la conversión en pirofosfato de dimetilalilo (DMPP), luego pirofosfato de geranilo (GPP) y, finalmente, la especie de 15 carbonos, pirofosfato de farnesilo (FPP). Esto sirve como intermedio en otros pasos de biosíntesis de carotenoides. Dos de las estructuras de 15 carbonos se pueden unir para formar carotenoides 30-C usando un catalizador.
Si la intención es más bien producir carotenoides a 40-C o 50-C, el difosfato de farnesilo recibe otro IPP para formar el intermedio de 20 átomos de carbono, difosfato de geranilgeranilo (GGPP). Luego, esto se agrega enzimáticamente a sí mismo para producir el fitoeno 40-C, que se puede reorganizar en licopeno. Una vez que se alcanza el licopeno, hay una variedad de vías sintéticas para diferentes resultados finales. Se puede agregar licopeno para producir más carotenoides 50-C. Alternativamente, las estructuras pueden mantenerse en 40 carbonos y convertirse catalíticamente en α-caroteno o β-caroteno, que inician la tercera y cuarta ruta.
El conocimiento de las vías de la biosíntesis de carotenoides ha existido durante décadas. Sin embargo, no fue hasta la década de 1990 que los genes que codifican las enzimas se identificaron lo suficiente para hacer que la fabricación industrial utilizando los métodos que se encuentran en la naturaleza sea práctica. La clonación de genes se ha logrado para cada uno de los pasos de la biosíntesis de carotenoides, hasta la fabricación de las xantofilas. Los biólogos moleculares creen que la vía de los carotenoides en las plantas puede manipularse mediante la tecnología de transferencia de genes. Esto permitiría metodologías de biosíntesis de carotenoides más fáciles y económicas.