Terpenoizii, numiți și izoprenoizi, sunt compuși organici al căror schelet de carbon este derivat prin legarea unităților de izopren (CH2=C(CH3)CH=CH2). Carotenoizii, un subtip de terpenoizi, sunt clasificați ca 30-C, 40-C și așa mai departe, în funcție de numărul lor de atomi de carbon scheletici. Ele pot fi fabricate în laborator prin biosinteză, numită uneori biogeneză, imitând procesele întâlnite în natură. Începând cu molecule mici și simple, cum ar fi izopentenil difosfat, adăugările au loc treptat în prezența enzimelor catalitice, până când se ajunge la produsele finale. Deși reacțiile sunt cunoscute după calea lor chimică, fabricarea poate implica utilizarea microbilor.
Carotenoidele – inclusiv β-carotenul, licopenul și xantofilele – sunt coloranți galbeni spre roșu, care se găsesc în morcovi, caise, spanac și alte fructe și legume. Ele servesc la două scopuri esențiale cunoscute. Deoarece absorb lumina la capătul albastru al spectrului, carotenoizii extind intervalul de frecvență la care plantele se pot angaja în fotosinteză; de asemenea, protejează pigmentul verde de deteriorarea fotolitică oxidativă. Pe lângă proprietățile lor antioxidante, unii carotenoizi posedă activitate de vitamina A. Alimentele bogate în carotenoide tind să aibă un conținut scăzut de lipide.
Sinteza carotenoizilor în natură este realizată prin unul dintre cele două procese cunoscute: unul este mevalonatul, celălalt este calea de biosinteză a carotenoidului non-mevalonat. Ambele căi sunt similare odată ce ajung la izopentenil pirofosfat (IPP). Următorul pas este conversia în dimetilalil pirofosfat (DMPP), apoi geranil pirofosfat (GPP) și, în cele din urmă, speciile cu 15 atomi de carbon, farnesil pirofosfat (FPP). Acesta servește ca intermediar în etapele ulterioare de biosinteză a carotenoidului. Două dintre structurile cu 15 atomi de carbon pot fi unite pentru a forma carotenoizi 30-C folosind un catalizator.
Dacă intenția este mai degrabă de a produce carotenoizi 40-C sau 50-C, farnesil difosfatul primește un alt IPP pentru a forma intermediarul cu 20 de atomi de carbon, geranilgeranil difosfat (GGPP). Aceasta este apoi adăugată enzimatic la sine pentru a produce fitoena 40-C, care poate fi rearanjată în licopen. Odată ce licopenul este atins, există o varietate de căi sintetice către rezultate finale diferite. Licopenul poate fi adăugat în continuare pentru a produce carotenoizii 50-C. Alternativ, structurile pot fi menținute la 40 de atomi de carbon și pot fi convertite catalitic în a-caroten sau p-caroten, care inițiază a treia și a patra cale.
Cunoașterea căilor de biosinteză a carotenoizilor există de zeci de ani. Cu toate acestea, abia în anii 1990 a fost identificată suficient gena care codifică enzimele pentru a face fabricarea industrială folosind metodele găsite în natură. Clonarea genelor a fost realizată pentru fiecare dintre etapele biosintezei carotenoidelor, până la fabricarea xantofilelor. Biologii moleculari cred ca calea carotenoidelor din plante poate fi manipulabila prin tehnologia de transfer de gene. Acest lucru ar permite metodologii de biosinteză a carotenoizilor mai ușoare și mai ieftine.