Nació en Los Angeles, California. En 2001 obtuvo el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por sus contribuciones a la comprensión del ciclo celular. Compartió dicho premio con Paul Nurse y Tim Hunt, cuyas investigaciones se centraron en las ciclinas y otros aspectos de la división celula Hartwell se licenció en 1961 por el Instituto Tecnológico de California y se doctoró en 1964 por el Instituto Tecnológico de Massachusetts. Entre 1965 y 1968 trabajó como profesor en la Universidad de California, tras lo cual se trasladó, en 1968, a la Universidad de Washington. En una serie de experimentos que tuvieron lugar entre 1970 y 1971, Hartwell descubrió los genes CDC (ciclo de división celular) en la levadura del pan (Saccharomyces cerevisiae). Estos genes regulan el ciclo celular y mutaciones en los mismos están involucradas en ciertos tipos de cáncer. Ha recibido múltiples condecoraciones.
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