Prof. Dr. Fabian J. Theis

Forschungsschwerpunkte: Einzelzellanalyse, Human Cell Atlas, mathematische Modellierung biologischer Systeme, Künstliche Intelligenz in der Biomedizin

Fabian Theis ist ein deutscher Biophysiker, Mathematiker und Informatiker, der molekulare Prozesse auf Einzelzellebene erforscht. Sein zentrales Anliegen ist es, die Heterogenität von Zellen zu entschlüsseln und daraus abzuleiten, wie sich Zellzustände entwickeln, organisieren und auf äußere Reize reagieren. Um seinem Ziel, Krankheiten früher zu erkennen und besser zu behandeln, näher zu kommen, kombiniert er experimentelle und bioinformatische Methoden mit Künstlicher Intelligenz. 

Obwohl alle Körperzellen das gleiche Erbgut tragen, unterscheiden sie sich grundlegend in der Aktivität ihrer Gene, erkennbar am jeweiligen Transkriptom, dem Gesamtbild aller in einer Zelle abgelesenen Gene. Jede Zellart, jedes Differenzierungsstadium ist durch ein charakteristisches Transkriptom gekennzeichnet. Erst moderne Einzelzellmethoden ermöglichen es, diese molekulare Signatur mit hoher Auflösung sichtbar zu machen.

Frühere Transkriptomanalysen basierten auf Zellpopulationen, wobei die individuellen Unterschiede nivelliert wurden, so dass die Ergebnisse einem Mittelwert entsprachen. Mit Single-Cell-Technologien ist es möglich, einzelne Zellen isoliert zu analysieren. Fabian Theis hat wesentlich dazu beigetragen, diese komplexen Daten nicht nur zu erfassen, sondern auch interpretierbar zu machen. Seine Arbeiten zeigen, wie sich Zellzustände, Differenzierungspfade und regulatorische Netzwerke aus Einzelzelldaten rekonstruieren lassen.

Solche Analysen erzeugen gewaltige Datenmengen, oft aus hunderttausenden Einzelzellen. Um darin dynamische Muster zu erkennen, entwickelt Fabian Theis spezialisierte neuronale Netze, die aus statischen Einzelzeitpunkten zeitliche Abläufe wie Zellreifung, Pathogenese oder Therapieantworten rekonstruieren. In Kooperation mit anderen Forschenden entstand ein sozio-statistisches Modell, das bereits aus wenigen Proben von mitunter weniger als 40 Zellen pro Typ präzise Unterschiede zwischen Zellzuständen herausfiltern auch seltene Zustände erfassen kann. Validiert wurde die Methode durch Markeranalysen und Signifikanztests. Erstere identifizieren biologische Unterschiede anhand molekularer Merkmale, letztere prüfen, ob diese Unterschiede statistisch belastbar sind oder zufällig zustande gekommen sein könnten.

Ein zentrales Engagement von Fabian Theis gilt dem „Human Cell Atlas“, einem internationalen Großprojekt, das alle Zelltypen des menschlichen Körpers kartieren will – mitsamt ihren molekularen Zuständen und Entwicklungspfaden. Fabian Theis beschreibt das Vorhaben als eine Art „Periodensystem der Zellen“, das die Vielfalt zellulärer Identitäten systematisch ordnet. Seine rechnergestützten Modelle sagen voraus, wie sich Zellen differenzieren oder wie sie auf Medikamente reagieren. Um die Übertragbarkeit auf den Menschen zu erhöhen, verknüpft sein Team experimentelle Daten aus Mausmodellen mit KI-basierten Simulationen. So lassen sich etwa Einflüsse von Umwelt oder Ernährung auf die Zellentwicklung modellieren und potenzielle therapeutische Ansatzpunkte identifizieren. 

Ein zukunftsweisendes Projekt ist das „Foundation Cell Model“, ein skalierbares Grundmodell zellulärer Dynamik, verknüpft mit kausaler Steuerung. Das Modell soll pharmakologische Effekte in einzelnen Zellen in-silico, das heißt im Computermodell, vorhersagen. Langfristig sollen daraus KI-Algorithmen hervorgehen, die in Echtzeit therapeutisch wirksame Interventionen vorschlagen können. Das wäre ein Meilenstein auf dem Weg zur personalisierten Zelltherapie.

Mit der Integration von Genomik, Transkriptomik und Bildgebung in rechnergestützte Modelle hat Fabian Theis die Systembiologie entscheidend weiterentwickelt. In der Arzneistoffentwicklung hilft die Vorhersage zellulärer Reaktionen dabei, geeignete Wirkstoffkandidaten zu identifizieren. In der personalisierten Medizin ermöglichen seine Modelle, individuelle Therapieeffekte auf Zelltypen präzise abzuschätzen.

Fabian Theis zählt zu den weltweit meistzitierten Forschenden seines Fachs. Er ist in zahlreichen internationalen Gremien und Netzwerken aktiv und bringt seine wissenschaftliche Exzellenz auf vielfältigen Ebenen in Forschung, Translation und Wissenschaftspolitik ein.