Terpenoidi, koji se također nazivaju izoprenoidi, su organski spojevi čiji ugljični kostur nastaje povezivanjem jedinica izoprena (CH2=C(CH3)CH=CH2). Karotenoidi, jedna podvrsta terpenoida, kategorizirani su kao 30-C, 40-C i tako dalje, na temelju njihovog broja skeletnih atoma ugljika. Mogu se proizvesti u laboratoriju biosintezom, koja se ponekad naziva biogeneza, oponašajući procese koji se nalaze u prirodi. Počevši od malih i jednostavnih molekula, kao što je izopentenil difosfat, dodavanja se odvijaju postupno u prisutnosti katalitičkih enzima, sve dok se ne postignu krajnji proizvodi. Iako su reakcije poznate po njihovom kemijskom putu, proizvodnja može uključivati upotrebu mikroba.
Karotenoidi — uključujući β-karoten, likopen i ksantofile — su žute do crvene boje, koje se nalaze u mrkvi, marelicama, špinatu i drugom voću i povrću. Oni služe dvije poznate bitne svrhe. Budući da apsorbiraju svjetlost na plavom kraju spektra, karotenoidi proširuju raspon frekvencija na kojima se biljke mogu uključiti u fotosintezu; također štite zeleni pigment od oksidativnog fotolitičkog oštećenja. Osim svojih antioksidativnih svojstava, neki karotenoidi posjeduju aktivnost vitamina A. Hrana bogata karotenoidima obično ima malo lipida.
Sinteza karotenoida u prirodi ostvaruje se jednim od dva poznata procesa: jedan je mevalonatni, drugi put biosinteze karotenoida bez mevalonata. Oba puta su slična kada dosegnu izopentenil pirofosfat (IPP). Sljedeći korak je pretvorba u dimetilalil pirofosfat (DMPP), zatim u geranil pirofosfat (GPP) i, na kraju, u vrstu s 15 ugljika, farnezil pirofosfat (FPP). Ovo služi kao međuprodukt u daljnjim koracima biosinteze karotenoida. Dvije od 15-ugljičnih struktura mogu se spojiti u 30-C karotenoide pomoću katalizatora.
Ako je namjera radije proizvesti 40-C ili 50-C karotenoide, farnezil difosfat prima još jedan IPP kako bi nastao međuprodukt s 20 atoma ugljika, geranilgeranil difosfat (GGPP). To se zatim enzimski dodaje samome sebi kako bi se proizveo 40-C fitoen, koji se može preurediti u likopen. Jednom kada se likopen dosegne, postoji niz sintetičkih puteva do različitih krajnjih rezultata. Likopen se može dodatno dodati za proizvodnju 50-C karotenoida. Alternativno, strukture se mogu zadržati na 40 ugljika i katalitički se pretvoriti u α-karoten ili β-karoten, koji pokreću treći i četvrti put.
Poznavanje putova biosinteze karotenoida postoji desetljećima. Međutim, tek 1990-ih godina prošlog stoljeća gen koji kodira enzime bio je dovoljno identificiran da bi industrijska proizvodnja korištenjem metoda pronađenih u prirodi bila praktična. Kloniranje gena je postignuto za svaki od koraka biosinteze karotenoida, sve do proizvodnje ksantofila. Molekularni biolozi vjeruju da se karotenoidnim putem u biljkama može manipulirati pomoću tehnologije prijenosa gena. To bi omogućilo lakše i jeftinije metodologije biosinteze karotenoida.