# Chemiexcitation: A New Mode of Skin Disease

> **NIH NIH R01** · YALE UNIVERSITY · 2020 · $345,110

## Abstract

Project Summary 
 
A new disease process – chemiexcitation – has been found to contribute to melanoma, prompting the current 
proposal  to  understand  its  chemistry  and  determine  its  role  in  additional  skin  disorders  such  as  excessive 
scarring in burn wounds or tissue death after a temporary loss of blood supply. Chemiexcitation is the chemical 
excitation  of  an  electron  to  a  high-­energy  quantum  state.  This  process  underlies  the  bioluminescence  of  a 
firefly,  but  it  had  never  been  seen  in  mammals.  Recently  researchers  discovered  that,  in  the  skin  cells  that 
provide  skin  and  hair  color  (melanocytes),  sunlight's  ultraviolet  radiation  (UV)  activates  two  enzymes  to 
synthesize the free radicals nitric oxide and superoxide. These combine to form peroxynitrite, a strong oxidant 
that is one of the few biological molecules able to excite an electron to a high energy state. Peroxynitrite then 
creates  a  strained  dioxetane  ring  (C–O–O–C)  on  fragments  of  melanin  pigment.  The  ring  spontaneously 
breaks to yield two carbonyls (C=O). One carbonyl acquires the energy – the chemiexcitation step – and ends 
in a quantum "triplet state" that has the energy of a UV photon but transfers this energy directly to DNA. There, 
the energy creates cyclobutane pyrimidine dimers (CPDs), a type of DNA damage that leads to mutations, cell 
death, and altered cell behavior. This process can continue for hours after a person leaves the beach, making 
melanin  carcinogenic  as  well  as  protective.  Yet  inflammation  and  temporary  blood  loss  can  also  create  nitric 
oxide and superoxide, raising the possibility that chemiexcitation's role in disease extends well beyond sunlight 
and cancer. 
The  present  proposal  seeks  to  solidify  biologists'  understanding  of  chemiexcitation  events  within  skin  and 
explore  how  the  same  events  can  be  triggered  without  UV.  The  project  has  three  aims:  1)  Determine  the 
photo-­enzymatic  signaling  steps  that  initiate  chemiexcitation.  2)  Elucidate  the  unsolved  biochemical  steps  in 
melanocyte chemiexcitation, seek molecules besides melanin that can host chemiexcitation, and identify genes 
underlying  the  variation  in  response  between  people.  3)  Determine  whether  skin  inflammation  can  substitute 
for  UV  and  whether  chemiexcitation  therefore  plays  a  role  in  hypertrophic  scarring  and  ischemia-­reperfusion 
injury.  The  results  will  put  chemiexcitation  on  a  firm  footing  in  the  setting  of  skin,  and  will  provide  a  basis  for 
investigating triplet-­state energy quenchers that dissipate the high energy as heat before it can lead to disease.

## Key facts

- **NIH application ID:** 9970411
- **Project number:** 5R01AR070851-04
- **Recipient organization:** YALE UNIVERSITY
- **Principal Investigator:** DOUGLAS E BRASH
- **Activity code:** R01 (R01, R21, SBIR, etc.)
- **Funding institute:** NIH
- **Fiscal year:** 2020
- **Award amount:** $345,110
- **Award type:** 5
- **Project period:** 2017-09-01 → 2022-07-31

## Primary source

NIH RePORTER: https://reporter.nih.gov/project-details/9970411

## Citation

> US National Institutes of Health, RePORTER application 9970411, Chemiexcitation: A New Mode of Skin Disease (5R01AR070851-04). Retrieved via AI Analytics 2026-05-24 from https://api.ai-analytics.org/grant/nih/9970411. Licensed CC0.

---

*[NIH grants dataset](/datasets/nih-grants) · CC0 1.0*