Terpenoider, även kallade isoprenoider, är organiska föreningar vars kolskelett härleds genom att sammanlänka isopren (CH2=C(CH3)CH=CH2)-enheter. Karotenoider, en undertyp av terpenoider, kategoriseras som 30-C, 40-C och så vidare, baserat på deras antal kolatomer i skelettet. De kan tillverkas i laboratoriet genom biosyntes, ibland kallad biogenes, som imiterar de processer som finns i naturen. Utgående från små och enkla molekyler, såsom isopentenyldifosfat, sker tillsatser stegvis i närvaro av katalytiska enzymer, tills slutprodukterna nås. Även om reaktionerna är kända genom sin kemiska väg, kan tillverkning involvera användning av mikrober.
Karotenoider – inklusive β-karoten, lykopen och xantofyllerna – är gul-till-röda färgämnen, som förekommer i morötter, aprikoser, spenat och andra frukter och grönsaker. De tjänar två kända väsentliga syften. Eftersom de absorberar ljus i den blå änden av spektrat, utökar karotenoider frekvensområdet vid vilka växter kan engagera sig i fotosyntes; de skyddar också det gröna pigmentet från oxidativ fotolytisk skada. Förutom sina antioxidantegenskaper har vissa karotenoider vitamin A-aktivitet. Livsmedel rika på karotenoider tenderar att vara låga i lipider.
Syntes av karotenoider i naturen åstadkommes genom en av två kända processer: den ena är mevalonatet, den andra är den icke-mevalonat-karotenoidbiosyntesvägen. Båda vägarna är lika när de når isopentenylpyrofosfat (IPP). Nästa steg är omvandling till dimetylallylpyrofosfat (DMPP), sedan geranylpyrofosfat (GPP) och, slutligen, arten med 15 kol, farnesylpyrofosfat (FPP). Detta fungerar som mellanprodukt i ytterligare karotenoidbiosyntessteg. Två av strukturerna med 15 kol kan förenas för att bilda 30-C-karotenoider med hjälp av en katalysator.
Om syftet snarare är att producera 40-C eller 50-C karotenoider, får farnesyldifosfatet en annan IPP för att bilda mellanprodukten med 20 kolatomer, geranylgeranyldifosfat (GGPP). Detta tillsätts sedan enzymatiskt till sig självt för att producera 40-C fytoen, som kan omarrangeras till lykopen. När lykopen väl har nåtts finns det en mängd olika syntetiska vägar till olika slutresultat. Lykopen kan tillsättas ytterligare för att producera 50-C-karotenoiderna. Alternativt kan strukturer hållas till 40 kol och omvandlas katalytiskt till a-karoten eller p-karoten, vilket initierar den tredje och fjärde vägen.
Kunskap om vägarna för karotenoidbiosyntes har funnits i decennier. Det var dock inte förrän på 1990-talet som genen som kodar för enzymerna identifierades tillräckligt för att göra industriell tillverkning med de metoder som finns i naturen praktisk. Genkloning har åstadkommits för vart och ett av stegen i karotenoidbiosyntesen, ner till tillverkningen av xantofyllerna. Molekylärbiologer tror att karotenoidvägen i växter kan vara manipulerbar via genöverföringsteknologi. Detta skulle möjliggöra enklare och billigare karotenoidbiosyntesmetoder.