Les terpénoïdes, également appelés isoprénoïdes, sont des composés organiques dont le squelette carboné est dérivé de la liaison d’unités isoprène (CH2=C(CH3)CH=CH2). Les caroténoïdes, un sous-type de terpénoïdes, sont classés en 30-C, 40-C et ainsi de suite, en fonction de leur nombre d’atomes de carbone squelettiques. Ils peuvent être fabriqués en laboratoire par biosynthèse, parfois appelée biogenèse, en imitant les processus présents dans la nature. En commençant par de petites molécules simples, telles que le diphosphate d’isopentényle, les additions se font par étapes en présence d’enzymes catalytiques, jusqu’à ce que les produits finaux soient atteints. Bien que les réactions soient connues par leur voie chimique, la fabrication peut impliquer l’utilisation de microbes.
Les caroténoïdes, y compris le β-carotène, le lycopène et les xanthophylles, sont des colorants jaunes à rouges présents dans les carottes, les abricots, les épinards et d’autres fruits et légumes. Ils servent deux objectifs essentiels connus. Puisqu’ils absorbent la lumière à l’extrémité bleue du spectre, les caroténoïdes étendent la gamme de fréquences à laquelle les plantes peuvent s’engager dans la photosynthèse ; ils protègent également le pigment vert des dommages photolytiques oxydatifs. En plus de leurs propriétés antioxydantes, certains caroténoïdes possèdent une activité Vitamine A. Les aliments riches en caroténoïdes ont tendance à être pauvres en lipides.
La synthèse des caroténoïdes dans la nature est accomplie par l’un des deux processus connus : l’un est le mévalonate, l’autre est la voie de biosynthèse des caroténoïdes non mévalonate. Les deux voies sont similaires une fois qu’elles atteignent l’isopentényl pyrophosphate (IPP). L’étape suivante est la conversion en diméthylallyl pyrophosphate (DMPP), puis en géranyl pyrophosphate (GPP) et, enfin, en l’espèce à 15 carbones, le farnésyl pyrophosphate (FPP). Ceci sert d’intermédiaire dans d’autres étapes de biosynthèse des caroténoïdes. Deux des structures à 15 carbones peuvent être jointes pour former des caroténoïdes 30-C à l’aide d’un catalyseur.
Si l’intention est plutôt de produire des caroténoïdes 40-C ou 50-C, le farnésyl diphosphate reçoit un autre IPP pour former l’intermédiaire à 20 atomes de carbone, le géranylgéranyl diphosphate (GGPP). Celui-ci est ensuite ajouté par voie enzymatique à lui-même pour produire le phytoène 40-C, qui peut être réarrangé en lycopène. Une fois que le lycopène est atteint, il existe une variété de voies de synthèse menant à des résultats finaux différents. Le lycopène peut être ajouté pour produire les caroténoïdes 50-C. Alternativement, les structures peuvent être maintenues à 40 carbones et être converties catalytiquement en -carotène ou β-carotène, qui initient les troisième et quatrième voies.
La connaissance des voies de biosynthèse des caroténoïdes existe depuis des décennies. Ce n’est cependant que dans les années 1990 que le gène codant pour les enzymes a été suffisamment identifié pour rendre pratique la fabrication industrielle utilisant les méthodes trouvées dans la nature. Le clonage de gènes a été réalisé pour chacune des étapes de la biosynthèse des caroténoïdes, jusqu’à la fabrication des xanthophylles. Les biologistes moléculaires pensent que la voie des caroténoïdes dans les plantes peut être manipulable via la technologie de transfert de gènes. Cela permettrait des méthodologies de biosynthèse des caroténoïdes plus faciles et moins chères.