Τα τερπενοειδή, που ονομάζονται επίσης ισοπρενοειδή, είναι οργανικές ενώσεις των οποίων ο ανθρακικός σκελετός προέρχεται από τη σύνδεση μονάδων ισοπρενίου (CH2=C(CH3)CH=CH2) μεταξύ τους. Τα καροτενοειδή, ένας υποτύπος τερπενοειδών, κατηγοριοποιούνται ως 30-C, 40-C και ούτω καθεξής, με βάση τον αριθμό των σκελετικών ατόμων άνθρακα τους. Μπορούν να κατασκευαστούν στο εργαστήριο με βιοσύνθεση, που μερικές φορές ονομάζεται βιογένεση, μιμούμενη τις διαδικασίες που υπάρχουν στη φύση. Ξεκινώντας με μικρά και απλά μόρια, όπως το διφωσφορικό ισοπεντενυλεστέρα, οι προσθήκες γίνονται σταδιακά παρουσία καταλυτικών ενζύμων, μέχρι να φτάσουμε στα τελικά προϊόντα. Αν και οι αντιδράσεις είναι γνωστές από τη χημική τους οδό, η κατασκευή μπορεί να περιλαμβάνει τη χρήση μικροβίων.
Τα καροτενοειδή – συμπεριλαμβανομένου του β-καροτενίου, του λυκοπενίου και των ξανθοφύλλων – είναι κίτρινες έως κόκκινες χρωστικές ουσίες, που εμφανίζονται στα καρότα, τα βερίκοκα, το σπανάκι και άλλα φρούτα και λαχανικά. Εξυπηρετούν δύο γνωστούς ουσιαστικούς σκοπούς. Δεδομένου ότι απορροφούν φως στο μπλε άκρο του φάσματος, τα καροτενοειδή επεκτείνουν το εύρος της συχνότητας με την οποία τα φυτά μπορούν να συμμετέχουν στη φωτοσύνθεση. προστατεύουν επίσης την πράσινη χρωστική από οξειδωτική φωτολυτική βλάβη. Εκτός από τις αντιοξειδωτικές τους ιδιότητες, ορισμένα καροτενοειδή έχουν δράση βιταμίνης Α. Τρόφιμα πλούσια σε καροτενοειδή τείνουν να είναι χαμηλά σε λιπίδια.
Η σύνθεση των καροτενοειδών στη φύση επιτυγχάνεται με μία από τις δύο γνωστές διεργασίες: η μία είναι η μεβαλονική, η άλλη είναι η οδός βιοσύνθεσης των μη μεβαλονικών καροτενοειδών. Και οι δύο οδοί είναι παρόμοιες όταν φτάσουν στο ισοπεντενυλοπυροφωσφορικό (IPP). Το επόμενο βήμα είναι η μετατροπή σε πυροφωσφορικό διμεθυλαλλύλιο (DMPP), στη συνέχεια πυροφωσφορικό γερανύλιο (GPP) και, τέλος, το είδος 15 άνθρακα, πυροφωσφορικό φαρνεσυλικό (FPP). Αυτό χρησιμεύει ως το ενδιάμεσο σε περαιτέρω στάδια βιοσύνθεσης καροτενοειδών. Δύο από τις δομές των 15 άνθρακα μπορούν να ενωθούν για να σχηματίσουν καροτενοειδή 30-C χρησιμοποιώντας έναν καταλύτη.
Εάν η πρόθεση είναι μάλλον η παραγωγή καροτενοειδών 40-C ή 50-C, το διφωσφορικό φαρνεζύλιο λαμβάνει μια άλλη IPP για να σχηματίσει το ενδιάμεσο με 20 άτομα άνθρακα, το διφωσφορικό γερανυλγερανυλεστέρα (GGPP). Αυτό στη συνέχεια προστίθεται ενζυματικά στον εαυτό του για να παραχθεί το φυτόενιο 40-C, το οποίο μπορεί να αναδιαταχθεί σε λυκοπένιο. Μόλις επιτευχθεί το λυκοπένιο, υπάρχει μια ποικιλία συνθετικών οδών για διαφορετικά τελικά αποτελέσματα. Το λυκοπένιο μπορεί να προστεθεί περαιτέρω για να παραχθούν τα καροτενοειδή 50-C. Εναλλακτικά, οι δομές μπορούν να διατηρηθούν στους 40 άνθρακες και να μετατραπούν καταλυτικά σε α-καροτένιο ή β-καροτένιο, τα οποία ξεκινούν την τρίτη και τέταρτη διαδρομή.
Η γνώση των οδών βιοσύνθεσης καροτενοειδών υπάρχει εδώ και δεκαετίες. Ωστόσο, μέχρι τη δεκαετία του 1990 το γονίδιο που κωδικοποιεί τα ένζυμα αναγνωρίστηκε επαρκώς για να κάνει πρακτική τη βιομηχανική κατασκευή με χρήση των μεθόδων που βρίσκονται στη φύση. Η κλωνοποίηση γονιδίων έχει επιτευχθεί για κάθε ένα από τα στάδια της βιοσύνθεσης καροτενοειδών, μέχρι την κατασκευή των ξανθοφύλλων. Οι μοριακοί βιολόγοι πιστεύουν ότι η οδός των καροτενοειδών στα φυτά μπορεί να χειριστεί μέσω της τεχνολογίας μεταφοράς γονιδίων. Αυτό θα επέτρεπε ευκολότερες και φθηνότερες μεθοδολογίες βιοσύνθεσης καροτενοειδών.